Mục lục bài họcĐang ở d02-b2
← AP Physics C: Mechanics
0/28 bài đã học xong
Chương 2 · Unit 2 — Force and Translational Dynamics · Bài 2/4 của chương · bài 6/28 của AP Physics C: Mechanics

Connected Systems, Tension and Constraint Equations

Hệ nhiều vật, lực căng và phương trình ràng buộc
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

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.

Giải thích tiếng Việt

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.

ròng rọc cố định ròng rọc ĐỘNG M a 2a F Hai đoạn dây đỡ ròng rọc động ⇒ lực nâng M là 2T, còn quãng đường thì ngược lại. Ràng buộc: chiều dài dây không đổi ⇒ 2·(độ dời của M) = độ dời của đầu tự do.
Ròng rọc động — nơi ràng buộc lộ mặt. Vật $M$ treo vào ròng rọc động, hai nhánh dây cùng đỡ nó nên phương trình đứng của $M$ là $2T-Mg=Ma$. Cùng lúc, chiều dài dây không đổi bắt đầu tự do phải đi được quãng đường gấp đôi quãng đường $M$ đi, nên gia tốc của nó cũng gấp đôi. Hai kết quả này luôn đi cặp: chỗ nào lực được nhân đôi thì chỗ đó quãng đường bị chia đôi. Nếu bạn viết được cái này mà quên cái kia, hệ phương trình sẽ thiếu một dòng và đáp số lệch đúng hệ số $2$.
Ví dụ — hệ hai vật có ma sát

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.

Giải.

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.

Bẫy hay mất điểm — Bẫy tốn điểm nhất: gán cho lực căng một giá trị có sẵn — lấy $T=m_2g$ vì "dây treo vật $m_2$". Sai ngay cả về mặt logic: nếu $T=m_2g$ thì $m_2$ cân bằng và hệ không thể có gia tốc. Cách chặn: coi $T$ là ẩn số ngang hàng với $a$, luôn viết đủ hai phương trình cho hai vật rồi mới giải. Bẫy anh em của nó là chọn chiều dương chung cho cả hai vật theo cùng một hướng không gian, khiến dấu của $a$ ở hai phương trình mâu thuẫn — chữa bằng cách chọn chiều dương theo chiều chuyển động riêng của từng vật.
Phải nhớ — $n$ vật thì $n$ phương trình định luật II, cộng một phương trình ràng buộc từ hình học dây. Đếm số ẩn và số phương trình trước khi bấm máy tính — thiếu phương trình ràng buộc là hệ vô định, thừa giả thiết là bạn đã bịa ra một luật không có.

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.

Làm bài tập chương →