Tháp nghiêng Pisa đã nghiêng hơn tám trăm năm — nhưng nó không ngã. Tại sao? Toàn bộ trọng lượng của tháp tác dụng tại một điểm: trọng tâm của…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp
4.1
Turning effects of forces · Tác dụng quay của lực
Syllabus · Chương trình
English
understand that the weight of an object may be taken as acting at a single point known as its centre of gravity
define and apply the moment of a force
understand that a couple is a pair of forces that acts to produce rotation only
define and apply the torque of a couple
Tiếng Việt
hiểu rằng trọng lượng của vật thể có thể coi như tác dụng tại một điểm duy nhất gọi là tâm trọng lực của nó
định nghĩa và áp dụng mô-men lực
hiểu rằng một cặp lực là cặp lực có tác dụng tạo ra chỉ chuyển động quay
định nghĩa và áp dụng mô-men của cặp lực
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
The principle of moments
Centre of gravity
The weight 重力 of a large object can be treated as acting at one single point, called the centre of gravity 重心 (the same as the centre of mass 质心 in a uniform gravitational field). For a uniform, regular shape — a rectangle, a sphere, a uniform rod — the centre of gravity is at the middle.
When you draw a free-body diagram 受力图, always put the weight arrow at the centre of gravity.
For an irregular shape, find the centre of gravity by experiment. Hang the object freely from a pin: in equilibrium it settles with its centre of gravity vertically below the pin, because only then does the weight have no moment about the pin. A plumb line 铅垂线 hung from the same pin marks that vertical. Hang the object from a second point and draw the second line; the centre of gravity is where the two lines cross. The same fact answers the exam's "explain why the sheet hangs like this": its centre of gravity is directly below the support, so the weight's line of action passes through the pivot and there is no resultant torque.
For a non-uniform 非均匀 bar, the centre of gravity is not at the middle. Find it by balancing the bar on a pivot, or by taking moments: if the bar's weight $W$ balances a known weight, the distance of its centre of gravity from the pivot is the one moment that makes the two sides equal.
Moment of a force
The moment 力矩 of a force about a point is
$$M = F \cdot d,$$
where $F$ is the size of the force 力 and $d$ is the perpendicular distance 垂直距离 from the point to the line of action 作用线 of the force. Unit: $\text{N m}$.
If the force acts at angle $\theta$ to a lever arm 力臂 of length $r$ from the pivot 支点, then $d = r\sin\theta$, so $M = F r\sin\theta$. Only the part of the force perpendicular 垂直 to the lever arm makes it turn.
Worked example. A force of $50\ \text{N}$ is applied to the end of a spanner $0.40\ \text{m}$ long, at $30°$ to the spanner. Find the moment of the force about the nut.
A moment is either clockwise 顺时针 or anticlockwise 逆时针 about the chosen point.
Couple and torque
A couple 力偶 is a pair of forces that are:
equal in size,
opposite in direction,
with their lines of action a perpendicular distance apart.
A couple makes the body turn only — its resultant force is zero, so it gives no straight-line acceleration.
The torque 力偶矩 of a couple is the turning effect it makes:
$$\tau = F \cdot d,$$
where $F$ is the size of one force and $d$ is the perpendicular distance between the two lines of action. Unit: $\text{N m}$. The torque is the same about any point — a special property of couples.
A common multiple-choice trap: two equal forces in the same direction are not a couple (they have a resultant force and cause translation 平动). A couple needs equal size and opposite direction.
Watch the distance in the formula. For a couple of two forces $F$ each acting a distance $d$ from a central pivot, on opposite sides, the perpendicular distance between the two lines of action is $2d$, so the torque is $F \times 2d = 2Fd$. Taking moments about the pivot gives the same answer, $Fd + Fd$. The two-mark definition wants both parts: the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces.
Tiếng Việt
Nguyên lý mô-men
Centre of gravity
Trọng lực của một vật lớn có thể xem như tác dụng tại một điểm duy nhất gọi là trung tâm trọng lực (cũng chính là tâm khối lượng trong trường trọng lực đều). Đối với hình dạng đều, đối xứng — hình chữ nhật, hình cầu, thanh đều — trung tâm trọng lực nằm ở chính giữa.
Khi vẽ sơ đồ lực riêng, luôn đặt mũi tên trọng lực tại trung tâm trọng lực.
Đối với hình dạng không đều, tìm trung tâm trọng lực bằng thí nghiệm. Treo vật tự do từ một đinh ghim: khi cân bằng, vật sẽ nằm yên sao cho trung tâm trọng lực nằm thẳng đứng phía dưới đinh ghim, vì chỉ có thế thì trọng lực mới không tạo mô-men đối với đinh ghim. Một dây dọi treo từ cùng đinh ghim đánh dấu đường thẳng đứng đó. Treo vật từ một điểm thứ hai và kẻ đường thẳng thứ hai; trung tâm trọng lực là nơi hai đường thẳng giao nhau. Chính thực tế này trả lời câu hỏi thi "giải thích tại sao tấm vật treo như vậy": trung tâm trọng lực nằm ngay phía dưới điểm đỡ, nên đường tác dụng của trọng lực đi qua bản lề và không có mô-men hợp.
Tìm trung tâm trọng lực: treo tự do, vật sẽ nằm yên sao cho trung tâm trọng lực nằm thẳng đứng phía dưới đinh ghim, nên hai dây dọi từ hai đinh ghim sẽ giao nhau tại đó
Đối với thanh không đều, trung tâm trọng lực không nằm ở chính giữa. Tìm nó bằng cách cân bằng thanh trên bản lề, hoặc bằng cách lấy mô-men: nếu trọng lực của thanh $W$ cân bằng một trọng lượng đã biết, khoảng cách từ trung tâm trọng lực của thanh đến bản lề chính là giá trị mô-men làm cho hai bên bằng nhau.
Mô-men của lực
Mô-men của một lực đối với một điểm là
$$M = F \cdot d,$$
trong đó $F$ là độ lớn của lực và $d$ là khoảng cách vuông góc từ điểm đó đến đường tác dụng của lực. Đơn vị: $\text{N m}$.
Nếu lực tác dụng với góc $\theta$ so với cánh tay đòn dài $r$ từ bản lề, thì $d = r\sin\theta$, suy ra $M = F r\sin\theta$. Chỉ có thành phần của lực vuông góc với cánh tay đòn mới làm vật quay.
Ví dụ tính toán. Một lực có độ lớn $50\ \text{N}$ tác dụng vào đầu cờ lê dài $0.40\ \text{m}$, với góc $30°$ so với thân cờ lê. Tìm mô-men của lực đối với đai ốc.
Momen phụ thuộc vào khoảng vuông góc $d$ từ điểm quay đến đường tác dụng của lực
Mô-men có thể là chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ đối với điểm đã chọn.
Cặp lực và mô-men xoắn
Một cặp lực là cặp lực có:
cùng độ lớn,
ngược chiều,
với các đường tác dụng cách nhau một khoảng vuông góc.
Cặp lực chỉ làm vật quay — lực hợp của nó bằng không, nên không gây gia tốc tịnh tiến.
Mô-men xoắn của một cặp lực là hiệu ứng quay mà nó tạo ra:
$$\tau = F \cdot d,$$
trong đó $F$ là độ lớn của một lực và $d$ là khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng. Đơn vị: $\text{N m}$. Mô-men xoắn có giá trị như nhau đối với mọi điểm — đây là tính chất đặc biệt của cặp lực.
A couple: two equal and opposite forces, a distance apart, producing a torque
Một bẫy phổ biến trong câu hỏi trắc nghiệm: hai lực bằng nhau cùng chiều không tạo thành cặp lực (chúng có lực hợp và gây ra chuyển dịch). Một cặp lực cần có độ lớn bằng nhau và ngược chiều.
Hãy chú ý đến khoảng cách trong công thức. Đối với một cặp lực gồm hai lực $F$ mỗi lực tác dụng ở khoảng cách $d$ từ điểm tựa trung tâm, ở hai phía đối diện, khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng của lực là $2d$, do đó mô-men là $F \times 2d = 2Fd$. Lấy mô-men quanh điểm tựa cũng cho kết quả tương tự, $Fd + Fd$. Định nghĩa 2 điểm muốn bao gồm cả hai phần: tích của một trong các lực và khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng của lực.
Explore · Khám phá
Balance the see-saw · Cân bằng chiếc bục bẩy
Put a weight on each side and slide it in or out. A small weight far from the pivot can balance a big weight close in — the beam is level when force × distance matches on both sides. · Đặt một trọng lượng lên mỗi bên và trượt nó vào hoặc ra xa. Một trọng lượng nhỏ đặt xa bản lề có thể cân bằng một trọng lượng lớn đặt gần — thanh ngang khi lực × khoảng cách khớp nhau ở cả hai bên.
understand that, when there is no resultant force and no resultant torque, a system is in equilibrium
use a vector triangle to represent coplanar forces in equilibrium
Tiếng Việt
nêu và áp dụng nguyên tắc mô-men
hiểu rằng, khi không có lực hợp thành và không có mô-men hợp thành, hệ sẽ ở trạng thái cân bằng
sử dụng tam giác vectơ để biểu diễn các lực đồng phẳng ở trạng thái cân bằng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Conditions for equilibrium
A body is in equilibrium 平衡 when:
the resultant force 合力 is zero (no straight-line acceleration), AND
the resultant moment about any point is zero (no angular acceleration 角加速度).
Both must hold. A body with no resultant force can still be turning; a body with no resultant moment can still be moving in a straight line.
The classic multiple-choice case: four forces, two equal pairs pointing in opposite directions but not along the same lines. The resultant force is zero, so the centre of mass does not accelerate, but the pairs form couples with a resultant torque, so the object spins faster and faster while its centre of mass moves at constant velocity. Only when both conditions hold is the body in equilibrium.
Principle of moments
For a body that is not turning, the total clockwise moment about any point equals the total anticlockwise moment about the same point. This is the principle of moments 力矩原理.
To solve a balance problem:
Choose a pivot — usually where an unknown force acts, so that force drops out (its distance is zero).
List every force and its perpendicular distance from the pivot.
Set $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
Use $\sum F = 0$ if you need a second equation.
A ruler balanced on a pivot with masses on each side is solved this way. For a heavy uniform rod, remember to include its weight acting at its centre of gravity. Stated for the marks: for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that same point.
Worked example. A uniform beam of length $4.0\ \text{m}$ is pivoted at its centre. A $40\ \text{N}$ weight hangs $1.5\ \text{m}$ from the pivot on one side. How far from the pivot, on the other side, must a $30\ \text{N}$ weight hang to balance the beam?
The beam's own weight acts at the centre (the pivot), so it has no moment. Setting clockwise $=$ anticlockwise moments:
$$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
Worked example. A uniform rod of length $L$ and weight $W = 28\ \text{N}$ is hinged to a wall at one end and held horizontal by a wire from its other end. The wire makes $40°$ with the rod. Find the tension $T$ in the wire.
Take moments about the hinge, so the unknown hinge force drops out. The weight acts at the centre, a distance $L/2$ from the hinge: its moment is $W \times L/2$, clockwise. The tension acts at the end, but not at right angles to the rod, so its moment is $T\sin 40° \times L$, anticlockwise (only the component of $T$ perpendicular to the rod turns it). Equate them:
$$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$
The length $L$ cancels, which is why the question need not give it. If a load hangs from the rod as well, add its moment on the clockwise side. This is the shape of almost every moments question: choose the pivot where the unknown force acts, use the perpendicular component of any angled force, and let unknown lengths cancel.
Worked example. A uniform beam of weight $200\ \text{N}$ and length $9.0\ \text{m}$ rests on two supports, X at $1.0\ \text{m}$ from the left end and Y at $6.5\ \text{m}$. A person of weight $700\ \text{N}$ stands $1.7\ \text{m}$ from Y, beyond it. Find the force from each support.
Two unknown forces, $R_{\text{X}}$ and $R_{\text{Y}}$, so take moments about X to remove $R_{\text{X}}$. The beam's weight acts at its centre, $3.5\ \text{m}$ from X; Y is $5.5\ \text{m}$ from X; the person is $7.2\ \text{m}$ from X:
Then the resultant force is zero: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, so $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. A negative answer means the beam would lift off X: with the person that far past Y, X must hold the beam down, not up. Questions often ask where a person can stand before the beam tips; that is the position at which $R_{\text{X}}$ becomes zero.
Vector triangle
Three forces in the same plane that are in equilibrium can be drawn as a closed vector triangle 矢量三角形 — drawn tip-to-tail, the three arrows come back to the start. This is a drawing method instead of splitting into components 分量.
Use the sine rule 正弦定理 or the cosine rule 余弦定理 on the triangle to find unknown sizes or directions, or draw the triangle to scale on graph paper.
You can also split each force into horizontal 水平 and vertical 竖直 components and set $\sum F_{x} = 0$ and $\sum F_{y} = 0$.
To draw the triangle for the marks: draw the weight first (vertical, to scale), then add the other two forces tip to tail in their real directions, so the third arrow closes the triangle; label every side with its force and mark the angles. For a block resting on a slope the three forces are the weight (vertical), the normal contact force (perpendicular to the slope) and friction (along the slope), so the triangle is right-angled with the weight as the hypotenuse. For a picture hanging from a string over a pin, the two equal tensions make an isosceles triangle with the weight. The test of any answer is that the triangle closes; if it does not, the object is not in equilibrium.
Worked example. A pulley of negligible weight is held by a spring. A single cable passes under the pulley, and each side of the cable makes $30°$ with the vertical. The tension in the cable is $T = 60\ \text{N}$. Find the force from the spring and the extension of the spring, given its spring constant is $2000\ \text{N m}^{-1}$.
Because it is one continuous cable, the tension is the same on both sides. The two tensions pull down and outwards; their horizontal components cancel and their vertical components add, so the spring must pull up with $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. From Hooke's law (topic 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. If the angle to the vertical grows, $\cos\theta$ falls, so the spring force and extension fall: the cable is pulling more sideways and less upwards.
Tiếng Việt
Điều kiện cân bằng
Một vật处于cân bằng khi:
Lực hợp bằng không (không có gia tốc chuyển động thẳng), VÀ
Mô-men hợp quanh bất kỳ điểm nào bằng không (không có gia tốc góc).
Cả hai điều kiện phải đồng thời thỏa mãn. Một vật không có lực合 vẫn có thể đang quay; một vật không có mô-men hợp vẫn có thể đang chuyển động theo đường thẳng.
Trường hợp trắc nghiệm kinh điển: bốn lực, gồm hai cặp lực bằng nhau nhưng ngược chiều và không cùng nằm trên một đường thẳng. Lực hợp bằng không, nên trọng tâm không gia tốc, nhưng các cặp lực này tạo thành cặp lực có mô-men hợp, khiến vật quay ngày càng nhanh hơn trong khi trọng tâm di chuyển với vận tốc không đổi. Chỉ khi cả hai điều kiện đều thỏa mãn thì vật mới处于 cân bằng.
Nguyên lý mô-men
Đối với một vật không quay, tổng mô-men theo chiều kim đồng hồ quanh bất kỳ điểm nào bằng tổng mô-men ngược chiều kim đồng hồ quanh điểm đó. Đây là nguyên lý mô-men.
Để giải bài toán cân bằng:
Chọn điểm tựa — thường là nơi tác dụng một lực chưa biết, để lực đó biến mất (khoảng cách của nó bằng 0).
Liệt kê mọi lực và khoảng cách vuông góc của chúng từ điểm tựa.
Thiết lập $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
Sử dụng $\sum F = 0$ nếu bạn cần phương trình thứ hai.
Một thanh kẻ được cân bằng trên điểm tựa với các khối lượng ở hai bên được giải như vậy. Đối với một thanh đều nặng, nhớ bao gồm trọng lực của nó tác dụng tại trọng tâm. Phát biểu để lấy điểm: đối với một vật处于 cân bằng, tổng các mô-men theo chiều kim đồng hồ quanh bất kỳ điểm nào bằng tổng các mô-men ngược chiều kim đồng hồ quanh điểm đó.
Ví dụ minh họa. Một dầm đều dài $4.0\ \text{m}$ được gắn bản lề tại trung tâm. Một trọng lượng $40\ \text{N}$ treo cách bản lề $1.5\ \text{m}$ về một phía. Để cân bằng dầm, một trọng lượng $30\ \text{N}$ phải treo cách bản lề bao nhiêu về phía kia?
Trọng lực của chính dầm tác dụng tại trung tâm (bản lề), nên không có mô-men. Thiết lập mô-men theo chiều kim đồng hồ $=$ mô-men ngược chiều kim đồng hồ:
$$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
Trọng lượng đặt trên thước được cân bằng tại điểm quay — dùng để kiểm tra nguyên lý momenCần cẩu tower là một bài toán về mô-men: mô-men của đối trọng quanh cột trụ cân bằng với mô-men của tải trọng
Ví dụ minh họa. Một thanh đều dài $L$ và nặng $W = 28\ \text{N}$ được gắn bản lề vào tường ở một đầu và giữ nằm ngang bởi một dây cáp từ đầu kia. Dây cáp tạo góc $40°$ với thanh. Tìm lực căng $T$ trong dây cáp.
Thanh gắn bản lề được giữ bởi dây cáp: lấy mô-men quanh bản lề sẽ loại bỏ lực bản lề chưa biết
Lấy mô-men quanh bản lề, lực bản lề chưa biết sẽ biến mất. Trọng lực tác dụng tại trung tâm, cách bản lề $L/2$: mô-men của nó là $W \times L/2$, theo chiều kim đồng hồ. Lực căng tác dụng tại đầu thanh, nhưng không vuông góc với thanh, nên mô-men của nó là $T\sin 40° \times L$, ngược chiều kim đồng hồ (chỉ thành phần của $T$ vuông góc với thanh mới tạo ra sự quay). Cho chúng bằng nhau:
$$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$
Chiều dài $L$ bị triệt tiêu, đó là lý do tại sao đề bài không cần cung cấp nó. Nếu có một tải trọng treo trên thanh, hãy cộng thêm mô-men của nó vào vế theo chiều kim đồng hồ. Đây là dạng của hầu hết các bài toán về mô-men: chọn điểm tựa tại nơi lực chưa biết tác dụng, sử dụng thành phần vuông góc của bất kỳ lực nghiêng nào, và để các độ dài chưa biết triệt tiêu.
Ví dụ minh họa. Một thanh đồng chất có trọng lượng $200\ \text{N}$ và chiều dài $9.0\ \text{m}$ đặt trên hai điểm tựa X cách đầu trái $1.0\ \text{m}$ và Y ở $6.5\ \text{m}$. Một người có trọng lượng $700\ \text{N}$ đứng cách Y một khoảng $1.7\ \text{m}$, nằm về phía xa hơn. Tìm lực tác dụng từ mỗi điểm tựa.
Dầm trên hai điểm đỡ: mô-men quanh một điểm đỡ sẽ cho lực của điểm đỡ còn lại; tổng lực sau đó sẽ cho điểm đỡ đầu tiên
Hai lực chưa biết, $R_{\text{X}}$ và $R_{\text{Y}}$, nên lấy mô-men quanh X để loại bỏ $R_{\text{X}}$. Trọng lực của dầm tác dụng tại tâm, $3.5\ \text{m}$ từ X; Y cách X $5.5\ \text{m}$; người đó cách X $7.2\ \text{m}$:
Sau đó lực hợp bằng không: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, suy ra $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. Kết quả âm có nghĩa là dầm sẽ bật khỏi X: với người đứng xa đến thế bên ngoài Y, X phải giữ dầm xuống, chứ không đẩy lên. Các câu hỏi thường yêu cầu tìm vị trí người có thể đứng trước khi dầm bị lật; đó là vị trí mà $R_{\text{X}}$ trở thành bằng không.
Tam giác vectơ
Ba lực cùng nằm trong một mặt phẳng và处于 cân bằng có thể được biểu diễn dưới dạng tam giác vectơ khép kín — vẽ nối đầu đuôi, ba mũi tên sẽ quay trở về điểm xuất phát. Đây là phương pháp vẽ thay vì phân tích thành thành phần.
Ba lực cân bằng tạo thành một tam giác vectơ khép kín
Sử dụng định lý sin hoặc định lý cosin trên tam giác để tìm các kích thước hoặc hướng chưa biết, hoặc vẽ tam giác theo tỷ lệ trên giấy kẻ ô vuông.
Bạn cũng có thể phân tích mỗi lực thành thành phần ngang và thành phần dọc và thiết lập $\sum F_{x} = 0$ và $\sum F_{y} = 0$.
Để vẽ tam giác cho bài tập: hãy vẽ trọng lượng trước (theo chiều thẳng đứng, đúng tỷ lệ), sau đó thêm hai lực còn lại nối đầu đuôi theo đúng hướng thực tế của chúng, sao cho mũi tên thứ ba khép kín tam giác; ghi nhãn mọi cạnh với lực tương ứng và đánh dấu các góc. Đối với khối vật đặt trên mặt nghiêng, ba lực bao gồm trọng lượng (thẳng đứng), lực tiếp xúc pháp tuyến (vuông góc với mặt nghiêng) và ma sát (dọc theo mặt nghiêng), do đó tam giác vuông với trọng lượng là cạnh huyền. Đối với bức tranh treo trên dây qua một cái đinh, hai lực căng bằng nhau tạo thành tam giác cân với trọng lượng. Tiêu chuẩn kiểm tra bất kỳ câu trả lời nào là tam giác phải khép kín; nếu không, vật không ở trạng thái cân bằng.
Ví dụ minh họa. Một ròng rọc có trọng lượng không đáng kể được giữ bởi một lò xo. Một sợi dây cáp chạy qua dưới ròng rọc, và mỗi bên của dây cáp tạo với phương thẳng đứng một góc $30°$. Lực căng trong dây cáp là $T = 60\ \text{N}$. Tìm lực tác dụng từ lò xo và độ dãn của lò xo, biết hệ số đàn hồi của nó là $2000\ \text{N m}^{-1}$.
Một ròng rọc được giữ bởi lò xo: hai lực căng trong cùng một dây cáp là bằng nhau, và lực của lò xo cân bằng với tổng các thành phần dọc của chúng
Vì đây là một dây cáp liên tục, lực căng như nhau ở cả hai phía. Hai lực căng kéo xuống và ra ngoài; các thành phần ngang của chúng triệt tiêu lẫn nhau và các thành phần dọc cộng lại, do đó lò xo phải kéo lên với $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. Từ định luật Hooke (chủ đề 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. Nếu góc so với phương thẳng đứng tăng lên, $\cos\theta$ giảm đi, nên lực của lò xo và độ dãn giảm: dây cáp đang kéo nhiều hơn theo chiều ngang và ít hơn theo chiều dọc.
Explore · Khám phá
Forces in equilibrium · Các lực cân bằng
When forces are balanced the resultant is zero — the vectors form a closed loop. Drag the arrows to keep them cancelling. · Khi các lực cân bằng, tổng lực bằng không — các vector tạo thành một vòng khép kín. Kéo các mũi tên để chúng triệt tiêu lẫn nhau.
derive, from the definitions of pressure and density, the equation for hydrostatic pressure$\Delta p = \rho g \Delta h$
use the equation $\Delta p = \rho g \Delta h$
understand that the upthrust acting on an object in a fluid is due to a difference in hydrostatic pressure
calculate the upthrust acting on an object in a fluid using the equation $F = \rho g V$ (Archimedes' principle)
Tiếng Việt
định nghĩa và sử dụng mật độ
định nghĩa và sử dụng áp suất
suy ra từ định nghĩa của áp suất và mật độ, phương trình cho áp suất thủy tĩnh$\Delta p = \rho g \Delta h$
sử dụng phương trình $\Delta p = \rho g \Delta h$
hiểu rằng lực nâng tác dụng lên vật thể trong chất lỏng là do sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh
tính lực nâng tác dụng lên vật thể trong chất lỏng bằng phương trình $F = \rho g V$ (nguyên定律 Archimedes)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Density 密度 is the mass per unit volume:
$$\rho = \frac{m}{V}.$$
Unit: $\text{kg m}^{-3}$ (or $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Density is a scalar 标量.
Some useful densities to know:
water: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
air at room conditions: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
iron / steel: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$
Measuring density is a practical question in disguise. For a cuboid, measure the mass on a balance and the three side lengths with a rule or calipers, then $\rho = m / (xyz)$. Because density is a product and quotient, the percentage uncertainty in $\rho$ is the sum of the percentage uncertainties in $m$, $x$, $y$ and $z$ (topic 1). A zero error on the balance, or a rule whose end is worn, is a systematic error; repeating the readings does not remove it, but subtracting the zero reading does.
Worked example. A block has mass $(120 \pm 1)\ \text{g}$ and sides $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ and $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Find its density and the percentage uncertainty.
$\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. The percentage uncertainties are $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ and $5.0\%$, so the density is uncertain by $12\%$, about $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. The shortest side contributes most, which is why a question asks which measurement to improve first.
Tiếng Việt
Một tảng băng nổi với phần lớn thể tích bị ẩn đi: băng nhẹ hơn nước một chút.
Mật độ là khối lượng trên đơn vị thể tích:
$$\rho = \frac{m}{V}.$$
Đơn vị: $\text{kg m}^{-3}$ (hoặc $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Mật độ là đại lượng vô hướng.
Một số giá trị mật độ hữu ích cần nhớ:
nước: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
khí ở điều kiện phòng: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
sắt / thép: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$
Việc đo mật độ thực chất là một câu hỏi thực hành được ẩn đi. Đối với vật thể hình hộp chữ nhật, hãy đo khối lượng bằng cân và ba cạnh bằng thước kẻ hoặc ê-ke, sau đó $\rho = m / (xyz)$. Vì mật độ là tích và thương, sai số phần trăm trong $\rho$ chính là tổng các sai số phần trăm trong $m$, $x$, $y$ và $z$ (chủ đề 1). Lỗi số 0 trên cân, hoặc thước kẻ bị mòn đầu, là lỗi hệ thống; việc lặp lại các lần đọc không loại bỏ được nó, nhưng trừ số 0 đi thì có.
Ví dụ minh họa. Một khối vật có khối lượng $(120 \pm 1)\ \text{g}$ và các cạnh $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ và $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Tìm mật độ và sai số phần trăm của nó.
$\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. Các sai số phần trăm là $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ và $5.0\%$, nên mật độ không chắc chắn là $12\%$, khoảng $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. Cạnh ngắn nhất đóng góp nhiều nhất, đó là lý do tại sao câu hỏi yêu cầu cải thiện phép đo nào trước tiên.
Pressure 压强 is the force per unit area, where the force acts at right angles to the surface:
$$p = \frac{F}{A}.$$
Unit: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Pressure is a scalar.
The force is the one pressing at right angles to the surface, and the area is the area of contact. A tree trunk of weight $9.0\ \text{kN}$ standing on a post of diameter $0.28\ \text{m}$ presses with $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; the same weight on a wider post gives a smaller pressure. Convert diameters to radii, and centimetres to metres, before squaring.
Hydrostatic pressure
Take a column of fluid 流体 with density $\rho$, cross-sectional area 横截面积$A$ and height $\Delta h$. Its weight is
$$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$
This weight presses down on the area $A$ at the bottom, so the extra pressure at the bottom compared with the top is
$$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$
This is the hydrostatic pressure 流体静压强 equation. It depends only on the density of the fluid and the depth 深度 — the shape of the container does not matter.
Worked example. Find the extra pressure due to the water at the bottom of a swimming pool $2.5\ \text{m}$ deep. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
For a submarine at depth $h$ below the surface, the pressure from the water is $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. For the total pressure, add the atmospheric pressure 大气压强 at the surface (about $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).
Upthrust and Archimedes' principle
When an object is submerged 浸没 in a fluid, the pressure at the bottom of the object is greater than the pressure at the top (by $\rho g \Delta h$, where $\Delta h$ is the object's height). This difference gives a net upward force called the upthrust 浮力.
For an object of volume $V$ (the volume of fluid displaced 排开), the upthrust is
This is Archimedes' principle 阿基米德原理: the upthrust on a body in a fluid equals the weight of the fluid it pushes aside.
Worked example. A metal block of volume $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is fully submerged in water. Find the upthrust on it. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
For a fully submerged object, $V$ is its full volume. For a floating 漂浮 object, $V$ is only the volume below the surface — the object floats when the upthrust on the part below the surface equals its weight.
Whether an object floats at all depends on densities: for a fully submerged object the ratio of upthrust to weight is $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, so it floats if it is less dense than the fluid and sinks if it is denser. Halving the object's density doubles that ratio; changing its volume or the depth changes nothing.
Worked example. A cylinder of mass $11\ \text{kg}$ and diameter $0.78\ \text{m}$ floats upright in water of density $990\ \text{kg m}^{-3}$. Find the depth $y$ of its base below the surface.
Floating means upthrust $=$ weight. The submerged volume is the base area times the depth, $A y$, with $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:
$$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$
Each extra newton of load on the cylinder needs an extra $1 / (\rho g A)$ of depth, so the depth rises in a straight line with the added weight, wherever on the cylinder it is placed.
Force balance with upthrust
A block held under water by a string tied to the bottom of the container is in equilibrium under three vertical forces: weight (down), tension 张力 (down), upthrust (up). Set $F_{\text{upthrust}} = W + T$ to find the tension.
A submerged block hanging from a newton meter 弹簧测力计 reads less than its weight in air, because of the upthrust: reading $= W - F_{\text{upthrust}}$.
Worked example. A cylinder of weight $25.0\ \text{N}$ hangs from a newton meter fully submerged in water, and the meter reads $10.0\ \text{N}$. Find the volume of the cylinder.
The upthrust is the missing $15.0\ \text{N}$, and upthrust $= \rho g V$, so $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. The same method finds the density of the cylinder: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.
The upthrust depends on the fluid density and the displaced volume, not on the object's material or depth (for an incompressible 不可压缩 fluid). On a planet with smaller $g$, the upthrust is smaller in the same ratio as the weight, so a floating object still floats with the same fraction below the surface.
Tiếng Việt
Áp suất là lực trên đơn vị diện tích, nơi lực tác dụng vuông góc với bề mặt:
$$p = \frac{F}{A}.$$
Đơn vị: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Áp suất là đại lượng vô hướng.
Lực là lực ép vuông góc với bề mặt, và diện tích là diện tích tiếp xúc. Một thân cây có trọng lượng $9.0\ \text{kN}$ đứng trên một cột trụ có đường kính $0.28\ \text{m}$ gây áp suất là $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; cùng trọng lượng đó trên một cột trụ rộng hơn sẽ tạo áp suất nhỏ hơn. Chuyển đổi đường kính sang bán kính, và centimet sang mét, trước khi bình phương.
Một barometer aneroid chính xác đo áp suất khí quyển
Áp suất thủy tĩnh
Xét một cột chất lưu có mật độ $\rho$, diện tích tiết diện ngang$A$ và chiều cao $\Delta h$. Trọng lượng của nó là
$$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$
Trọng lượng này ép xuống diện tích $A$ ở phía dưới, nên áp suất tăng thêm ở phía dưới so với phía trên là
$$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$
Đây là phương trình áp suất thủy tĩnh. Nó chỉ phụ thuộc vào mật độ của chất lưu và độ sâu — hình dạng của bình chứa không quan trọng.
Ví dụ minh họa. Tìm áp suất tăng thêm do nước gây ra ở đáy hồ bơi sâu $2.5\ \text{m}$. (Mật độ nước $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
Một cột chất lỏng có tiết diện $A$: trọng lượng của nó tạo ra áp suất phụ ở độ sâu bên dưới
Đối với tàu ngầm ở độ sâu $h$ dưới mặt nước, áp suất từ nước là $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. Để có áp suất tổng cộng, cộng thêm áp suất khí quyển tại mặt nước (khoảng $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).
Lực đẩy và Nguyên lý Archimedes
Khi một vật ngâm trong chất lưu, áp suất tại đáy vật lớn hơn áp suất tại đỉnh (bằng $\rho g \Delta h$, nơi $\Delta h$ là chiều cao của vật). Sự chênh lệch này tạo ra một lực hướng lên tổng cộng gọi là lực đẩy.
Lực đẩy phát sinh do áp suất tác dụng lên đáy vật lớn hơn so với áp suất tác dụng lên đỉnh
Đối với một vật có thể tích $V$ (thể tích chất lưu bị đẩy), lực đẩy là
Đây là nguyên lý Archimedes: lực đẩy tác dụng lên một vật trong chất lưu bằng trọng lượng của chất lưu mà vật đã đẩy đi.
Ví dụ minh họa. Một khối kim loại có thể tích $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ được ngâm hoàn toàn trong nước. Tìm lực đẩy tác dụng lên nó. (Mật độ nước $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
Đối với vật ngập hoàn toàn, $V$ là thể tích đầy đủ của nó. Đối với vật nổi, $V$ chỉ là phần thể tích nằm dưới mặt nước — vật nổi khi lực đẩy tác dụng lên phần ngập bằng trọng lượng của vật.
Việc vật có nổi hay không phụ thuộc vào mật độ: đối với vật ngập hoàn toàn, tỷ số giữa lực đẩy và trọng lượng là $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, vì vậy vật sẽ nổi nếu ít đậm đặc hơn chất lưu và chìm nếu đậm đặc hơn. Khi giảm một nửa mật độ của vật thì tỷ số đó tăng gấp đôi; thay đổi thể tích hoặc độ sâu sẽ không làm thay đổi điều gì.
Ví dụ minh họa. Một hình trụ có khối lượng $11\ \text{kg}$ và đường kính $0.78\ \text{m}$ nổi thẳng đứng trong nước có mật độ $990\ \text{kg m}^{-3}$. Tìm độ sâu $y$ từ mặt nước xuống đáy hình trụ.
Nổi nghĩa là lực đẩy $=$ trọng lượng. Thể tích ngập là diện tích đáy nhân với độ sâu, $A y$, với $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:
$$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$
Mỗi newton tải trọng thêm vào hình trụ cần thêm $1 / (\rho g A)$ độ sâu, do đó độ sâu tăng theo đường thẳng với trọng lượng được thêm vào, bất kể vị trí đặt tải trọng nào trên hình trụ.
Một vật nổi sẽ chìm xuống cho đến khi lực đẩy tác dụng lên phần ngập bằng trọng lượng của vật
Cân bằng lực với lực đẩy
Một khối được giữ dưới nước bởi dây buộc vào đáy bình đang ở trạng thái cân bằng dưới ba lực dọc: trọng lượng (hướng xuống), lực căng (hướng xuống), lực đẩy (hướng lên). Đặt $F_{\text{upthrust}} = W + T$ để tìm lực căng.
Một khối chìm treo từ cân lò xo chỉ giá trị nhỏ hơn trọng lượng trong không khí, do có lực đẩy: chỉ số $= W - F_{\text{upthrust}}$.
Ví dụ minh họa. Một hình trụ có trọng lượng $25.0\ \text{N}$ treo từ cân lò xo và ngập hoàn toàn trong nước, và cân chỉ số $10.0\ \text{N}$. Tìm thể tích của hình trụ.
Lực đẩy chính là phần thiếu $15.0\ \text{N}$, và lực đẩy $= \rho g V$, nên $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Phương pháp tương tự cũng tìm được mật độ của hình trụ: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.
Lực đẩy phụ thuộc vào mật độ chất lưu và thể tích bị đẩy, không phụ thuộc vào vật liệu của vật hay độ sâu (đối với chất lưu không nén được). Trên một hành tinh có $g$ nhỏ hơn, lực đẩy cũng nhỏ hơn theo cùng tỷ lệ với trọng lượng, nên một vật nổi vẫn nổi với cùng một phần thể tích nằm dưới mặt nước.
Explore · Khám phá
Pressure with depth · Áp suất theo độ sâu
p = ρg·h
Pressure is proportional to depth — the gradient is ρg. · Áp suất tỷ lệ thuận với độ sâu — hệ số góc là ρg.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
centre of gravity
the point at which the whole weight of an object may be considered to act
moment of a force
the product of the force and the perpendicular distance from the point to the line of action of the force
couple
a pair of equal and opposite forces whose lines of action do not coincide, which produces rotation only
torque of a couple
the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces
principle of moments
for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that point
equilibrium
the state of a body on which the resultant force and the resultant torque are both zero
density
mass per unit volume
pressure
force per unit area, where the force acts at right angles to the surface
upthrust
the upward force on a body in a fluid caused by the pressure being greater on its lower surface than on its upper surface
Archimedes' principle
the upthrust on a body in a fluid is equal to the weight of the fluid displaced by the body
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
tâm trọng lực
điểm mà toàn bộ trọng lượng của vật có thể coi như tác dụng
mô-men của lực
tích của lực và khoảng cách vuông góc từ điểm đến đường tác dụng của lực
cặp lực
hai lực bằng nhau và ngược chiều mà đường tác dụng không trùng nhau, chỉ gây ra sự quay
mô-men của cặp lực
tích của một trong hai lực và khoảng cách vuông góc giữa các đường tác dụng của chúng
nguyên lý mô-men
đối với vật cân bằng, tổng các mô-men đồng hồ về bất kỳ điểm nào bằng tổng các mô-men ngược chiều kim đồng hồ về điểm đó
cân bằng
trạng thái của vật mà hợp lực và hợp mô-men đều bằng không
mật độ
khối lượng trên đơn vị thể tích
áp suất
lực trên đơn vị diện tích, trong đó lực tác dụng vuông góc với bề mặt
lực đẩy
lực hướng lên tác dụng lên vật trong chất lưu do áp suất lớn hơn ở mặt dưới so với mặt trên
nguyên lý Archimedes
lực đẩy tác dụng lên vật trong chất lưu bằng trọng lượng của chất lưu bị vật đẩy đi
4.3
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Take moments about a chosen pivot; for equilibrium, total clockwise $=$ total anticlockwise moments and the resultant force is zero.
A body in equilibrium under three forces gives a closed triangle of forces.
Fluid pressure $= \rho g h$; upthrust $=$ weight of fluid displaced (Archimedes).
Distinguish mass, weight and density, and give the base unit each time.
Common mistakes
Resolving with $\cos\theta$ where the geometry needs $\sin\theta$. Draw the triangle and check which side the angle is next to before choosing.
Substituting the weight of the object where the question is about the upthrust on it. Upthrust is the weight of the fluid displaced, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
Leaving out the weight of a uniform beam. It acts at the centre, and it has a moment about any pivot that is not at the centre.
Using the distance along the rod for an angled force. The moment needs the perpendicular distance, or the perpendicular component of the force.
Taking the torque of a couple as $Fd$ with $d$ measured from the pivot. The distance is between the two lines of action, so a symmetric couple gives $2Fd$.
Tiếng Việt
Lấy mô-men quanh một điểm tựa đã chọn; để cân bằng, tổng mô-men đồng hồ $=$ tổng mô-men ngược chiều kim đồng hồ và hợp lực phải bằng không.
Một vật cân bằng dưới ba lực tạo thành một tam giác lực khép kín.
Áp suất chất lưu $= \rho g h$; lực đẩy $=$ trọng lượng chất lưu bị đẩy (Archimedes).
Phân biệt khối lượng, trọng lượng và mật độ, và cung cấp đơn vị cơ bản cho mỗi đại lượng.
Lỗi thường gặp
Phân giải với $\cos\theta$ khi hình học yêu cầu $\sin\theta$. Vẽ tam giác và kiểm tra xem góc nằm cạnh nào trước khi lựa chọn.
Thay thế trọng lượng của vật vào chỗ câu hỏi nói về lực đẩy tác dụng lên nó. Lực đẩy là trọng lượng của chất lưu bị đẩy, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
Bỏ qua trọng lượng của thanh đồng nhất. Nó tác dụng tại trung tâm, và nó có mô-men quanh mọi điểm tựa không nằm ở trung tâm.
Sử dụng khoảng cách dọc theo thanh cho lực xiên. Mô-men cần khoảng cách vuông góc, hoặc thành phần vuông góc của lực.
Lấy mô-men của cặp lực là $Fd$ với $d$ đo từ điểm tựa. Khoảng cách là giữa hai đường tác dụng, nên một cặp lực đối xứng cho $2Fd$.
Interactive lessons on this topic · Bài học tương tác về chủ đề này
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Chọn một môn và trang sẽ điều hướng theo — ghi chú, tài liệu, video và bài tập đều mở ở đó.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Nhập để tìm ghi chú, bài học, mã, từ vựng và câu hỏi đề thi cũ trên mọi môn học.