Mục lục bài họcĐang ở d02-b2
Connected Systems, Tension and Constraint Equations
Two bodies, two equations, one constraint
An ideal string is inextensible and massless; an ideal pulley is massless and frictionless. Under those assumptions the tension has the same magnitude everywhere along one continuous string, and a pulley only changes the direction of that tension. (Once the pulley has rotational inertia — Unit 5 — the tensions on the two sides differ, and that is precisely what makes the pulley rotate.)
The method that never fails: write a separate $\sum F=ma$ for each body, taking the positive direction along that body's own motion, then close the system with a constraint equation obtained from the geometry of the string.
For a simple Atwood machine the constraint is $a_1=a_2$ in magnitude. For a movable pulley the string length $\ell$ is constant, so differentiating $\ell=\text{const}$ twice with respect to time gives the acceleration relation directly — typically $a_{\text{free end}}=2a_{\text{block}}$.
$$\ell=2y_{\text{block}}+y_{\text{end}}+c\;\Longrightarrow\;2a_{\text{block}}+a_{\text{end}}=0$$Tension is never "equal to the weight" as a rule. $T=mg$ only in the special case of zero acceleration; when the system accelerates, $T$ lies strictly between the two weights of an Atwood machine, and solving for it is a separate scoring point on the rubric.
Dây lý tưởng không dãn, khối lượng bằng không; ròng rọc lý tưởng không khối lượng, không ma sát. Với hai giả thiết đó, lực căng có cùng độ lớn trên toàn bộ một sợi dây liên tục, và ròng rọc chỉ đổi hướng của lực căng. Khi ròng rọc có mômen quán tính (Unit 5) thì hai nhánh dây căng khác nhau — chính hiệu số đó làm ròng rọc quay.
Cách làm không bao giờ sai: viết riêng $\sum F=ma$ cho từng vật, mỗi vật chọn chiều dương theo chiều chuyển động của chính nó, rồi đóng hệ phương trình bằng một phương trình ràng buộc rút ra từ hình học sợi dây.
Với máy Atwood đơn giản, ràng buộc là hai gia tốc bằng nhau về độ lớn. Với ròng rọc động, viết chiều dài dây là hằng số rồi đạo hàm hai lần theo thời gian:
$$\ell=2y_{M}+y_{\text{đầu dây}}+c\;\Longrightarrow\;2a_{M}+a_{\text{đầu dây}}=0$$Tức là đầu dây tự do đi nhanh gấp đôi vật treo — và bù lại, lực nâng vật là $2T$ chứ không phải $T$.
Không có luật "lực căng bằng trọng lượng". $T=mg$ chỉ đúng khi gia tốc bằng không. Hệ có gia tốc thì $T$ nằm hẳn giữa hai trọng lượng của máy Atwood, và việc giải ra $T$ là một mắt xích chấm điểm riêng.
Khối $m_1=4$ kg nằm trên bàn ngang, nối bằng dây nhẹ vắt qua ròng rọc lý tưởng ở mép bàn tới khối $m_2=6$ kg treo lơ lửng. Hệ số ma sát trượt giữa $m_1$ và bàn là $\mu_k=0{,}25$. Lấy $g=10$ m/s². Tìm gia tốc của hệ và lực căng dây.
Chiều dương: $m_1$ đi sang phải, $m_2$ đi xuống. Phản lực pháp tuyến lên $m_1$ là $N=m_1g=40$ N, nên ma sát trượt $f=\mu_kN=0{,}25\times40=10$ N.
Vật $m_1$: $\;T-f=m_1a$.
Vật $m_2$: $\;m_2g-T=m_2a$.
Cộng hai phương trình để khử $T$:
$$m_2g-f=(m_1+m_2)a\;\Longrightarrow\;60-10=10a\;\Longrightarrow\;a=5\ \text{m/s}^2$$Thế ngược vào phương trình của $m_1$:
$$T=m_1a+f=4(5)+10=30\ \text{N}$$Kiểm nhanh tính hợp lý: $T=30$ N nhỏ hơn trọng lượng $m_2$ là $60$ N — đúng, vì $m_2$ đang đi xuống có gia tốc. Nếu ra $T\ge60$ N thì chắc chắn có lỗi dấu.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 2 — Force and Translational Dynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.