Lực căng dây là gì?

Khi ta kéo dãn một sợi dây cao su hoặc một sợi dây xích, sợi dây sẽ xuất hiện một lực chống lại sự dãn đó. Trong Vật lý 10, khái niệm này được định nghĩa chuẩn xác như sau:

Đặc điểm của lực căng dây

Phân biệt lực căng dây và trọng lực

Trong bài học 17, học sinh cần phân biệt rõ hai đại lượng này:

Công thức tính lực căng dây

Để xác định độ lớn của lực căng dây, chúng ta xét hai trường hợp cơ bản nhất dựa trên trạng thái chuyển động của vật.

Vật treo cân bằng (Trạng thái tĩnh)

Khi một vật có khối lượng (m) được treo thẳng đứng bằng một sợi dây nhẹ, không dãn và đứng yên cân bằng:Vật chịu tác dụng của hai lực cân bằng là trọng lực (vec{P}) và lực căng dây (vec{T}).[vec{P} + vec{T} = vec{0} Rightarrow T = P = m cdot g]Trong đó:

Vật chuyển động có gia tốc theo phương thẳng đứng

Khi kéo một vật treo trên dây chuyển động lên trên hoặc xuống dưới với gia tốc (vec{a}):Theo Định luật II Newton: (vec{P} + vec{T} = m cdot vec{a})Chọn chiều dương thẳng đứng hướng lên trên:Vật chuyển động đi lên với gia tốc (a) (hoặc đi lên nhanh dần đều / đi xuống chậm dần đều):[T-P=mcdot a][Rightarrow T=P+mcdot a=mcdot(g+a)]Vật chuyển động đi xuống với gia tốc (hoặc đi xuống nhanh dần đều / đi lên chậm dần đều):[-T+P=mcdot(-a)text{ }][text{hay }T=mcdot(g-a)]

Công thức lực căng trong một số trường hợp thường gặp

Trong các bài tập Vật lý 10 nâng cao hoặc đề thi học kỳ, cấu trúc sợi dây thường được bố trí ở các dạng bài toán hình học phức tạp hơn.

Hai sợi dây giữ một vật ở các góc nghiêng khác nhau

Khi một vật khối lượng (m) được giữ cân bằng bởi hai sợi dây hợp với phương ngang hoặc phương thẳng đứng các góc (alpha,) (beta):Các lực tác dụng lên vật gồm: Trọng lực (vec{P}), lực căng (vec{T}_1) của dây 1 và lực căng (vec{T}_2) của dây 2.Điều kiện cân bằng: (vec{T}_1 + vec{T}_2 + vec{P} = vec{0})Để giải dạng bài này, học sinh chọn hệ trục tọa độ (Oxy) (thường chọn (Ox) nằm ngang, (Oy) thẳng đứng hướng lên) và chiếu phương trình vectơ lên hai trục:Giải hệ hai phương trình trên sẽ tìm được độ lớn (T_1) và (T_2).

Hệ hai vật nối qua ròng rọc rọc cố định

Xét hệ hai vật (m_1) và (m_2) ((m_1 > m_2)) nối với nhau qua một sợi dây nhẹ, không dãn vắt qua ròng rọc cố định có khối lượng không đáng kể:

Giới hạn lực căng tối đa của sợi dây

Mỗi sợi dây trong thực tế đều có một giới hạn chịu lực tối đa (T_{max}). Nếu lực căng xuất hiện trong quá trình chuyển động vượt quá giá trị này ((T > T_{max})), sợi dây sẽ bị đứt. Dạng bài tập này yêu cầu học sinh tính (T) theo gia tốc rồi so sánh với (T_{max}) để xác định gia tốc lớn nhất mà dây chưa bị đứt.

Cách tính lực căng dây qua các bước cụ thể

Để không bị nhầm lẫn dấu hoặc sai phương hướng khi giải bài tập, học sinh nên tuân thủ đúng 4 bước tiêu chuẩn sau:

Bước 1: Chọn vật trữ/vật nghiên cứu và vẽ hình

Xác định rõ vật nào đang chịu tác dụng của lực căng. Vẽ biểu diễn tất cả các lực tác dụng lên vật (Trọng lực (vec{P}), lực căng dây (vec{T}), phản lực (vec{N}), lực ma sát (vec{F}_{text{ms}}) nếu có).

Bước 2: Viết phương trình Định luật II Newton

Tóm tắt điều kiện động lực học dưới dạng phương trình vectơ:[sumvec{F}=mcdotvec{a}][Leftrightarrowvec{P}+vec{T}+vec{N}+ldots=mcdotvec{a}](Nếu vật đứng yên cân bằng thì cho (a = 0)).

Bước 3: Chọn hệ trục tọa độ (Oxy) và chiếu phương trình

Chọn hệ trục (Oxy) sao cho một trục trùng với phương chuyển động (hoặc phương của sợi dây). Chiếu phương trình vectơ ở Bước 2 lên các trục tọa độ để đại số hóa các lực:

Bước 4: Giải phương trình và kiểm tra kết quả

Thế các số liệu đề bài cho vào phương trình đại số để tính (T). Kiểm tra xem giá trị (T) thu được có dương không và đơn vị đã chuẩn (text{N}) chưa.

Bài tập vận dụng công thức tính lực căng dây

Bài tập vận dụng công thức tính lực căng dây theo 3 dạng phổ biến gồm:

Bài 1: Dạng treo vật cân bằng bằng hai dây nghiêng

Một đèn chùm có khối lượng (m = 4text{ kg}) được treo cân bằng vào trần nhà nhờ hai sợi dây nhẹ (OA) và (OB). Sợi dây (OA) hợp với trần nhà nằm ngang một góc (30^circ), sợi dây (OB) hợp với trần nhà góc (60^circ). Lấy (g = 10text{ m/s}^2). Tính lực că...

Bài 2: Dạng kéo hai vật nối với nhau trên mặt phẳng ngang

Hai vật có khối lượng (m_1 = 3text{ kg}) và (m_2 = 2text{ kg}) được nối với nhau bằng một sợi dây nhẹ không dãn đặt trên mặt phẳng ngang không ma sát. Người ta tác dụng một lực kéo (vec{F}) nằm ngang có độ lớn (15text{ N}) vào vật (m_1) để kéo cả hệ chuyển động. Tính gia tốc của hệ và lực căng (T) của sợi dây nối giữa hai vật.Phân tích đề bàiDạng bài: Bài toán hệ vật nối bằng dây chuyển động trên mặt phẳng ngang.Dữ kiện đề cho:Thông tin cần tìm:Kiến thức cần dùngĐịnh luật II Newton áp dụng cho cả hệ vật: (F = (m_1 + m_2) cdot a)Định luật II Newton áp dụng cho từng vật riêng lẻ:Dây nhẹ không dãn nên hai vật chuyển động với cùng gia tốc a và lực căng ở hai đầu dây có độ lớn bằng nhau ((T_1 = T_2 = T)).Hướng dẫn giải

Bài 3: Dạng ròng rọc động / thang máy chuyển động

Một người dùng dây treo một vật nặng (m = 5text{ kg}) đứng trong thang máy. Dây chịu được lực căng tối đa là (65text{ N}). Lấy (g = 10text{ m/s}^2).a) Nếu thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc (a = 2text{ m/s}^2) thì dây có bị đứt không?b) Hỏi gia tốc đi l...