Một cuộn chỉ đặt trên bàn ngang. Người ta kéo đầu dây chỉ bằng một lực →FF→ có hướng như hình 3.16. Hỏi cuộn chỉ sẽ chuyển động theo chiều nào?
Đáp án đúng: B
Để xác định chiều chuyển động của cuộn chỉ, ta cần phân tích các lực tác dụng lên cuộn chỉ và moment của chúng đối với trục quay của cuộn chỉ. Trong trường hợp này, có hai lực chính cần xét:
-
Lực kéo →FF→ có hướng như hình vẽ.
-
Lực ma sát nghỉ (hoặc ma sát trượt) →Fms→Fms→ tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa cuộn chỉ và mặt bàn.
Lực kéo →FF→ có xu hướng làm cuộn chỉ quay theo chiều kim đồng hồ. Lực ma sát →Fms→Fms→ sẽ xuất hiện để chống lại chuyển động quay này.
Để xác định chiều chuyển động, ta so sánh moment của hai lực này đối với trục quay của cuộn chỉ (điểm tiếp xúc giữa cuộn chỉ và mặt bàn):
- Moment của lực kéo →FF→: M(F)=F.rM(F)=F.r, với rr là khoảng cách từ trục quay đến phương của lực →FF→F→.
- Moment của lực ma sát →Fms→Fms→: M(Fms)=Fms.RM(Fms)=Fms.R, với RR là bán kính của cuộn chỉ.
Nếu M(F)>M(Fms)M(F)>M(Fms), cuộn chỉ sẽ quay theo chiều của lực kéo (chiều kim đồng hồ) và chuyển động sang phải.
Nếu M(F)<M(Fms)M(F)<M(Fms), cuộn chỉ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ và chuyển động sang trái.
Nếu M(F)=M(Fms)M(F)=M(Fms), cuộn chỉ sẽ đứng yên hoặc quay tại chỗ.
Từ hình vẽ, ta thấy rằng khoảng cách rr từ trục quay đến phương của lực kéo →FF→F→ nhỏ hơn bán kính RR của cuộn chỉ (r<Rr<R). Điều này có nghĩa là M(F)<M(Fms)M(F)<M(Fms), do đó cuộn chỉ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ và chuyển động sang trái.
Câu hỏi liên quan
Bài toán này áp dụng định luật bảo toàn mômen động lượng.
Mômen động lượng ban đầu của hệ (người + bàn) là:
L1 = Iω1 + mr2ω1 = (I + mR2)ω1
Khi người di chuyển vào tâm bàn, mômen động lượng của hệ là:
L2 = Iω2 + m(0)2ω2 = Iω2
Áp dụng định luật bảo toàn mômen động lượng: L1 = L2
(I + mR2)ω1 = Iω2
ω2 = ω1(I + mR2)/I = 1(140 + 70*12)/140 = 1.5 vòng/giây
Áp dụng phương trình động lực học quay: Iε = M, với I là moment quán tính và ε là gia tốc góc.
Suy ra: I(dω/dt) = -k√ω => dω/√ω = -(k/I)dt
Lấy tích phân hai vế từ thời điểm ban đầu (ω = ω0, t = 0) đến thời điểm t bất kỳ:
∫ω0ω dω/√ω = ∫0t -(k/I)dt
=> 2√ω |ω0ω = -(k/I)t
=> 2(√ω - √ω0) = -(k/I)t
Khi vô lăng dừng hẳn (ω = 0), gọi thời gian dừng là T, ta có:
2(0 - √ω0) = -(k/I)T => T = (2I√ω0)/k
Vận tốc góc trung bình được tính bằng công thức: ωtb = (∫0T ω dt) / T
Từ phương trình 2(√ω - √ω0) = -(k/I)t, ta có √ω = √ω0 - (k/2I)t => ω = (√ω0 - (k/2I)t)^2
=> ω = ω0 - (k√ω0/I)t + (k^2/4I^2)t^2
Thay vào công thức tính vận tốc góc trung bình:
ωtb = (1/T) ∫0T [ω0 - (k√ω0/I)t + (k^2/4I^2)t^2] dt
ωtb = (1/T) [ω0t - (k√ω0/2I)t^2 + (k^2/12I^2)t^3] |0T
Thay T = (2I√ω0)/k vào, ta được:
ωtb = (1/T) [ω0(2I√ω0)/k - (k√ω0/2I)(4I^2ω0/k^2) + (k^2/12I^2)(8I^3ω0√ω0/k^3)]
ωtb = (k/(2I√ω0)) [2Iω0√ω0/k - 2Iω0√ω0/k + (2/3)Iω0√ω0/k]
ωtb = (k/(2I√ω0)) [(2/3)Iω0√ω0/k]
ωtb = ω0/3
x = 5 - 10sin(2t)
y = 4 + 10sin(2t)
=> x + y = 5 - 10sin(2t) + 4 + 10sin(2t) = 9
=> y = -x + 9
Đây là phương trình đường thẳng.
Phương án A đúng. Phương trình chuyển động cho phép xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của vật tại một thời điểm bất kỳ.
Phương án B đúng. Phương trình quỹ đạo mô tả đường đi của vật trong không gian.
Phương án C đúng. Nếu biết phương trình chuyển động, ta có thể khử thời gian t để tìm ra phương trình quỹ đạo. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể tìm được phương trình chuyển động từ phương trình quỹ đạo vì phương trình quỹ đạo chỉ cho biết hình dạng đường đi mà không cho biết thông tin về thời gian.
Do đó, phương án D đúng vì bao gồm tất cả các phương án đúng trên.
1. Tìm vận tốc v(t):
v(t) = dx/dt = 12t - 12t²
2. Tìm gia tốc a(t):
a(t) = dv/dt = 12 - 24t
3. Xác định thời điểm gia tốc bằng 0 (để tìm thời điểm vận tốc cực đại):
a(t) = 0 => 12 - 24t = 0 => t = 0.5 s
4. Kiểm tra xem tại t = 0.5 s, vật chuyển động nhanh dần theo chiều dương:
- Tại t < 0.5 s, a(t) > 0
- Tại t = 0.5 s, v(0.5) = 12*(0.5) - 12*(0.5)² = 6 - 3 = 3 m/s. Do v(0.5) > 0, vật chuyển động theo chiều dương.
Vì a(t) > 0 và v(t) > 0 trong giai đoạn đầu (t<0.5), vật chuyển động nhanh dần theo chiều dương.
Vậy tốc độ cực đại đạt được là 3 m/s.
