Các dạng cân bằng? Cân bằng một vật có một mặt chân đế?

1. Các dạng cân bằng:

– Có ba dạng cân bằng là: cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định.

+ Cân bằng bền: Khi vật bị kéo ra khỏi vị trí cân bằng một chút mà trọng lực có xu hướng kéo vật trở về vị trí cân bằng thì đó là trạng thái cân bằng bền. Nguyên nhân của cân bằng bền là trọng tâm ở vị trí thấp nhất so với các vị trí lân cận.

Ví dụ 1: Một viên bi đặt trong lòng một máng cong ở trạng thái cân bằng bền, khi viên bi bị đẩy sang một vị trí mới thì nó luôn chuyển động quay lại vị trí đó. Trọng tâm của viên bi ở độ cao thấp nhất so với các vị trí lân cận.

Ví dụ 2: Con lật đật không bao giờ bị lật đổ vì trọng tâm của nó ở vị trí thấp nhất, gần đáy. Phần thân con lật đật tròn nhẵn nên nó dễ dao động. Khi bị kéo lệch về một bên, trọng lực gây ra momen quay đối với điểm tựa, làm cho con lật đật lắc lư qua lại quanh điểm tựa đến khi khôi phục vị trí cũ.

+ Cân bằng không bền: Khi vật bị kéo ra khỏi vị trí cân bằng một chút mà trọng lực của vật có xu hướng kéo nó ra xa vị trí cân bằng thì đó là cân bằng không bền. Nguyên nhân của cân bằng không bền là do trọng tâm ở vị trí cao nhất so với các vị trí lân cận.

Ví dụ: Một viên bi đặt trên đỉnh của một bán cầu ở trạng thái cân bằng không bền, khi viên bi bị đẩy sang một ví trí mới thì nó rời xa vị trí cân bằng ban đầu đó. Trọng tâm của viên bi ở độ cao cao nhất so với các vị trí lân cận.

+ Cân bằng phiếm định: Khi vật bị kéo ra khỏi vị trí cân bằng một chút mà trọng lực có xu hướng giữ vật đứng yên ở vị trí mới đó thì đó là trạng thái cân bằng phiếm định. Nguyên nhân của cân bằng phiếm định là vị trí trọng tâm không thay đổi hoặc ở một độ cao không đổi.

Ví dụ: Một viên bi đặt trên mặt phẳng nằm ngang ở trạng thái cân bằng phiếm định. Khi viên bi bị đẩy sang một vị trí mới thì nó đứng yên luôn ở vị trí mới. Trọng tâm của viên bi ở độ cao không đổi khi nó bị thay đổi vị trí.

2. Cân bằng của một vật có mặt chân đế:

2.1. Mặt chân đế:

Khi vật tiếp xúc với mặt phẳng đở chúng bằng cả một mặt đáy thì mặt chân đế là mặt đáy của vật.

Khi vật tiếp xúc với mặt phẵng đở chỉ ở một số diện tích rời nhau thì mặt chân đế là hình đa giác lồi nhỏ nhất bao bọc tất cả các diện tích tiếp xúc đó.

2.2. Điều kiện cân bằng: 

Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế là giá của trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế hay là trọng tâm rơi trên mặt chân đế

2.3. Mức vững vàng của cân bằng:

– Mức vững vàng của sự cân bằng được xác định bởi độ cao của trọng tâm và diện tích của mặt chân đế.

– Trọng tâm của vật càng cao và mặt chân đế càng nhỏ thì vật càng dễ bị lật đổ và ngược lại.

=> Muốn tăng mức vững vàng của vật có mặt chân đế thì hạ thấp trọng tâm và tăng diện tích mặt chân đế của vật.

– Cách ứng phó với các trận động đất nhỏ :

Ở trong phòng : tìm nắp dưới các bàn chắc chắn, tránh xa các các vật dễ đổ ngã như : tủ, tranh, kệ để đồ vật trên cao. Dùng đệm, túi xách che chắc đầu, gối lại.

Phải bình tĩnh, cẩn thận các mảnh vỡ, khi thoát hiểm nên dùng thang bộ…

Ở ngoài đường : tránh xa các tòa nhà lớn, các công trình đang thi công, tuân theo sự hướng dẫn của cảnh sát,

Nếu đang trên xe, tàu thì tuân theo sự chỉ dẫn của nhân viên

3. Liên hệ thực tế về cân bằng:

– Con lật đật không bao giờ bị lật đổ vì trọng tâm của nó ở rất thấp (có đổ chì ở đáy con lật đật). Vậy nó ở trạng thái cân bằng bền.

– Xe chở lúa và chở trấu có khối lượng bằng nhau nhưng ghe chở trấu dễ bị lật hơn ghe chở lúa vì trấu cồng kềnh hơn lúa (khối lượng riêng của lúa lớn hơn khối lượng riêng của trấu). Vì vậy trọng tâm của ghe khi chở trấu cao hơn trọng tâm của ghe khi chở lúa.

– Làm thế nào để tăng mức vững vàng của vật rắn có mặt chân đế? Mức vững vàng của vật rắn có mặt chân đế được xác định bởi độ cao của trọng tâm và diện tích của mặt chân đế. Muốn tăng mức vững vàng của vật rắn có mặt chân đế thì ta tăng diện tích mặt chân đế và hạ thấp trọng tâm của vật.

– Xe chở hàng cồng kềnh dễ bị nghiêng đổ do có mức vững vàng thấp. Vì vậy, luật giao thông nghiêm cấm việc chở hàng cồng kềnh, quá tải.

– Phao tiêu hàng hải có mức vững vàng cao vì trọng tâm thấp. Phao tiêu hàng hải cân bằng giống như con lật đật, khi sóng gió làm nó bị nghiêng sang một bên thì trọng tâm gây ra một momen lực làm nó trở về vị trí ban đầu.

– Người ta làm các loại bàn, ghế có chân choãi để tăng diện tích mặt chân đế, tăng mức vững vàng của bàn, ghế.

4. Bài tập về các dạng cân bằng và lời giải:

Câu 1: Bài 1 trang 110 SGK

Thế nào là dạng cân bằng bền? không bền ? phiếm định?

Hướng dẫn giải:
Cân bằng không bền: Trọng tâm của vật nằm cao hơn trục quay. Khi vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng thì không tự trở về trạng thái ban đầu được.
Cân bằng bền: Trọng tâm của vật ở thấp hơn trục quay. Vật luôn có thể tự trở về trạng thái cân bằng ban đầu được.
Cân bằng phiếm định : Trục quay đi qua trọng tâm của vật. Vật cân bằng ở mọi vị trí.

Câu 2: Bài 2 trang 110 SGK

Vị trí trọng tâm của vật có vai trò gì đối với mỗi dạng cân bằng?

Hướng dẫn giải:
Tùy vị trí trọng tâm của vật cao hơn, thấp hơn hay bằng với trục quay mà ảnh hưởng quyết định đến dạng cân bằng của vật: Trọng tâm cao hơn trục quay, vật cân bằng không bền, thấp hơn trục quay vật cân bằng bền, trục quay đi qua trọng tâm vật cân bằng phiếm định.
Trọng tâm càng thấp, diện tích mặt chân đế càng rộng thì mức vững vàng của vật càng cao.

Câu 3: Bài 3 trang 110 SGK

Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế là gì?

Hướng dẫn giải:
Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế là giá của trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế (hay trọng tâm “rơi ” trên mặt chân đế). Muốn tăng mức vững vàng của vật có mặt chân đế thì hạ thấp trọng tâm vật và tăng diện tích mặt chân đế của vật.

Câu 4: Bài 4 trang 110 SGK

Hãy chỉ rõ dạng cân bằng của:
a) Nghệ sĩ xiếc đang đứng trên dây
b) Cái bút chì được cắm vào con dao nhíp
c) Quả cầu đồng chất trên một mặt

Hướng dẫn giải:
a) Cân bằng không bền. Vì khi trọng tâm của nghệ sĩ xiếc bị lệch khỏi vị trí cân bằng, nó sẽ không trở về vị trí cũ nữa.
b) Cân bằng bền. Vì trọng tâm của hệ lúc này đặt gần sát ngón tay nên nếu đẩy nhẹ bút chì lệch một ít thì nó vẫn trở về được vị trí cân bằng ban đầu.

c) Quả cầu trên cao: Cân bằng không bền. Vì nếu đẩy nhẹ quả cầu ra thì nó sẽ lăn xuống dưới, không trở về vị trí cân bằng ban đầu được.
Quả cầu bên trái: Cân bằng phiếm định. Vì nếu đẩy quả cầu ra vị trí mới thì nó thiết lập vị trí cân bằng ngay tại đó, khác vị trí lúc đầu.
Quả cầu bên phải: Cân bằng bền. Vì khi cho quả cầu lệch khỏi vị trí cân bằng thì nó lăn trở lại vị trí cân bằng ban đầu.

Câu 5: Bài 5 trang 110 SGK

Người ta đã làm thế nào để thực hiện được mức vững vàng cao của trạng thái cân bằng ở những vật sau đây?
a) Đèn để bàn.
b) Xe cần cẩu.
c) Ô tô đua.

Hướng dẫn giải:
a) Chân đèn phải nặng và mặt chân đế rộng.
b) Xe phải rất nặng và phải có mặt chân đế rất rộng bằng cách bố trí các cánh tay và điểm tựa di động.
c) Ô tô đua phải có trọng tâm thấp, mặt chân đế rộng.

Câu 6: Bài 6 trang 110 SGK

Một xe tải lần lượt chở các vật liệu sau với khối lượng bằng nhau: thép lá, gỗ và vải. Trong trường hợp nào thì xe khó bị đổ nhất ? dễ bị đổ nhất?

Hướng dẫn giải:
Khi chở thép, trọng tâm của cả xe và hàng là thấp nhất trong các trường hợp đã cho, nên mức vững vàng của xe lớn hơn, xe khó bị đổ nhất.
Khi chở vải, vì vải nhẹ nên với cùng khối lượng với thép và gỗ thì kích thước thùng hàng vải là lớn nhất làm cho trọng tâm của xe và hàng cao nhất trong các trường hợp. Do đó xe dễ bị đổ nhất.