Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
← AP Physics 1
0/22 bài đã học xong
Chương 5 · Unit 5 — Torque and Rotational Dynamics · Bài 2/3 của chương · bài 14/22 của AP Physics 1

Rotational Inertia and Newton's Second Law for Rotation

Momen quán tính và định luật hai cho chuyển động quay
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

The translation table

Every rotational law is a translation of a linear one:

  • $x\to\theta$, $v\to\omega$, $a\to\alpha$
  • $F\to\tau$, $m\to I$, $p\to L$
  • $F=ma\ \to\ \tau=I\alpha$
  • $K=\tfrac12mv^2\ \to\ K_{\text{rot}}=\tfrac12I\omega^2$

Rotational inertia depends on where the mass is

$$I=\sum m_ir_i^2$$

The $r^2$ is the whole story: moving mass twice as far from the axis multiplies its contribution by four. That is why a hoop ($I=MR^2$) is far harder to spin up than a solid sphere ($I=\tfrac25MR^2$) of the same mass and radius.

For a point mass on a rotating rigid body, $v=\omega r$ — points farther out move faster even though $\omega$ is the same everywhere.

Giải thích tiếng Việt

Bảng đối chiếu — học thuộc bảng này là học xong nửa chương:

  • $x\to\theta$, $v\to\omega$, $a\to\alpha$
  • $F\to\tau$, $m\to I$, $p\to L$
  • $F=ma\ \to\ \tau=I\alpha$
  • $K=\tfrac12mv^2\ \to\ K_{\text{quay}}=\tfrac12I\omega^2$

Momen quán tính phụ thuộc khối lượng nằm ở ĐÂU, không chỉ nằm bao nhiêu: $I=\sum m_ir_i^2$.

Số mũ hai là toàn bộ câu chuyện — dời khối lượng ra xa gấp đôi thì đóng góp của nó gấp bốn. Vì thế cái vành ($I=MR^2$) khó quay hơn hẳn quả cầu đặc ($I=\tfrac25MR^2$) cùng khối lượng, cùng bán kính.

Trên một vật rắn đang quay, mọi điểm có cùng $\omega$ nhưng $v=\omega r$ khác nhau — điểm ngoài rìa đi nhanh hơn điểm gần trục.

VÀNH TRÒN I = MR² khối lượng dồn hết ra xa ĐĨA ĐẶC I = ½MR² khối lượng trải đều CẦU ĐẶC I = ⅖MR² khối lượng dồn vào tâm
Cùng $M$, cùng $R$, ba giá trị $I$ khác nhau. Vành tròn dồn hết khối lượng ra bán kính $R$ nên $I$ lớn nhất. Đĩa đặc trải đều, một nửa. Cầu đặc dồn nhiều khối lượng vào gần tâm, chỉ còn $\tfrac25$. Hệ quả quen thuộc: thả ba vật này lăn xuống cùng một dốc thì quả cầu về đích trước, cái vành về chót — không phải vì nặng nhẹ, mà vì vành phải bỏ nhiều năng lượng hơn vào việc quay.
Ví dụ — ròng rọc có khối lượng

Ròng rọc đĩa đặc $M=2$ kg, $R=0{,}1$ m, dây quấn quanh treo vật $m=1$ kg. Tính gia tốc của vật. Lấy $g=10$.

Giải.

Vật treo: $mg-T=ma$.

Ròng rọc: $\tau=TR=I\alpha$ với $I=\tfrac12MR^2$ và $\alpha=\frac{a}{R}$:

$$TR=\tfrac12MR^2\cdot\frac{a}{R}\ \Longrightarrow\ T=\tfrac12Ma$$

Thay vào phương trình đầu:

$$mg-\tfrac12Ma=ma\ \Longrightarrow\ a=\frac{mg}{m+\tfrac12M}=\frac{10}{1+1}=5\ \text{m/s}^2$$

Nhỏ hơn $g$ vì ròng rọc cũng phải được gia tốc quay. Ròng rọc “không khối lượng” thì $a=g$.

Bẫy hay mất điểm — Ròng rọc có khối lượng làm lực căng hai bên dây khác nhau — chính chênh lệch đó tạo momen quay nó. Chỉ ròng rọc lý tưởng mới có $T$ như nhau hai bên.
Phải nhớ — $\tau=I\alpha$ là $F=ma$ của chuyển động quay. $I$ phụ thuộc khối lượng nằm ở đâu, theo $r^2$. Ròng rọc có khối lượng ⇒ hai lực căng khác nhau.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 5 — Torque and Rotational Dynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →