SciSimulator
Quay lại thí nghiệm

Cân bằng Đòn bẩy Hướng dẫn

Vật lýNgười mới bắt đầuThời gian đọc: 4 phút

Tổng quan

Đòn bẩy là một trong những máy đơn giản sớm nhất được con người sử dụng. Thí nghiệm này mô phỏng một cân đòn bẩy trong phòng thí nghiệm, giúp bạn khám phá các định luật động lực học chi phối đòn bẩy ở trạng thái cân bằng thông qua thực hành với các quả nặng. Bạn sẽ thấy rằng sự cân bằng không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực mà còn phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đặt lực đến điểm tựa.

Bối cảnh

Nguyên lý đòn bẩy là một trong những định luật vật lý đầu tiên được khám phá. Archimedes (k. 287–212 TCN), một nhà khoa học Hy Lạp cổ đại, đã nghiên cứu một cách có hệ thống các điều kiện cân bằng đòn bẩy và đưa ra tuyên bố nổi tiếng: "Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi sẽ nhấc bổng Trái Đất lên!" Điều này làm nổi bật sức mạnh của đòn bẩy khuếch đại lực—với cánh tay đòn đủ dài, ngay cả một lực nhỏ cũng có thể cân bằng một trọng lượng khổng lồ. Archimedes không chỉ làm sáng tỏ nguyên lý về mặt lý thuyết mà còn áp dụng nó: tương truyền ông đã thiết kế các cần trục khổng lồ và máy bắn đá để bảo vệ Syracuse chống lại hạm đội La Mã. Nguyên lý đòn bẩy vẫn là nền tảng của kỹ thuật cơ khí và thiết kế kiến trúc ngày nay.

Khái niệm chính

Điểm tựa (O)

OO

Điểm cố định mà đòn bẩy quay quanh.

Lực tác dụng (F1F_1) / Lực cản (F2F_2)

FF

Lực làm cho đòn bẩy quay là Lực tác dụng (hoặc Lực phát động); lực chống lại sự quay là Lực cản (hoặc Trọng lượng).

Cánh tay đòn (L)

LL

Khoảng cách vuông góc từ điểm tựa đến đường dóng của lực (giá của lực). Khi đòn bẩy nằm ngang, đây chỉ đơn giản là khoảng cách từ điểm tựa đến điểm treo.

Công thức và diễn giải

Điều kiện cân bằng đòn bẩy

F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2
Lực tác dụng nhân với Cánh tay đòn của lực tác dụng bằng Lực cản nhân với Cánh tay đòn của lực cản. Thường được gọi là "Nguyên lý Mô-men".

Mô-men lực (Torque)

M=F⋅LM = F \cdot L
Tích của lực và cánh tay đòn là Mô-men lực. Bản chất của cân bằng đòn bẩy là tổng các mô-men lực theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ bằng không.

Các bước thí nghiệm

  1. 1

    Cân bằng đòn bẩy

    Đảm bảo đòn bẩy được cân bằng theo phương ngang trước khi treo bất kỳ quả nặng nào. Trong mô phỏng này, đòn bẩy bắt đầu ở trạng thái cân bằng.
  2. 2

    Thí nghiệm cân bằng đều

    Treo 2 quả nặng ở khoảng cách 2 đơn vị từ điểm tựa ở bên trái. Thử treo 2 quả nặng ở khoảng cách 2 đơn vị ở bên phải. Đòn bẩy có trở lại trạng thái cân bằng không?
  3. 3

    Thí nghiệm cân bằng không đều

    Giữ nguyên bên trái (2 quả nặng ở 2 đơn vị). Thử treo 4 quả nặng ở 1 đơn vị bên phải, hoặc 1 quả nặng ở 4 đơn vị bên phải. Tính toán xem "Lực × Khoảng cách" có bằng nhau ở cả hai bên không.
  4. 4

    Rút ra quy tắc

    Thay đổi số lượng và vị trí của các quả nặng nhiều lần. Ghi lại các giá trị khi cân bằng để xác minh xem F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2 có đúng không.

Mục tiêu học tập

  • Hiểu năm yếu tố của đòn bẩy: Điểm tựa, Lực tác dụng, Lực cản, Cánh tay đòn lực tác dụng, Cánh tay đòn lực cản
  • Nắm vững điều kiện định lượng cho sự cân bằng: F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2
  • Nhận ra rằng "Cánh tay đòn" là khoảng cách vuông góc, không chỉ là chiều dài dọc theo thanh
  • Phân biệt và tính toán cho các đòn bẩy Loại 1, 2 và 3 (Lợi về lực, Lợi về đường đi, v.v.)

Ứng dụng thực tế

  • Đòn bẩy lợi về lực: Dụng cụ mở nắp chai, bấm móng tay, búa nhổ đinh (Cánh tay đòn lực tác dụng > Cánh tay đòn lực cản, lợi về lực nhưng thiệt về đường đi)
  • Đòn bẩy lợi về đường đi: Kẹp nhíp, đũa, cần câu, tông đơ cắt tóc (Cánh tay đòn lực tác dụng < Cánh tay đòn lực cản, thiệt về lực nhưng lợi về đường đi/động tác)
  • Đòn bẩy cánh tay đều: Cân đĩa, bập bênh, ròng rọc cố định (Cánh tay đòn lực tác dụng = Cánh tay đòn lực cản)
  • Cơ thể người: Kiễng chân liên quan đến ức bàn chân làm điểm tựa (Loại 2, lợi về lực); nâng vật bằng cẳng tay liên quan đến khuỷu tay làm điểm tựa (Loại 3, lợi về đường đi)

Sự hiểu lầm phổ biến

Sai
Cánh tay đòn là chiều dài của đoạn thẳng nối điểm tựa với điểm đặt lực
Đúng
Sai. Điều này chỉ đúng nếu lực vuông góc với đòn bẩy. Cánh tay đòn là khoảng cách 'vuông góc' từ điểm tựa đến đường dóng của lực. Thay đổi góc của lực làm thay đổi cánh tay đòn.
Sai
Đòn bẩy phải nằm ngang mới cân bằng
Đúng
Sai. Đòn bẩy cân bằng nếu nó đứng yên (ngay cả khi nghiêng) hoặc quay với tốc độ không đổi. Chúng ta sử dụng vị trí nằm ngang trong các thí nghiệm vì cánh tay đòn khớp với các vạch thước kẻ, giúp việc đo lường dễ dàng hơn.
Sai
Lực tác dụng và Lực cản phải ở hai bên đối diện của điểm tựa
Đúng
Sai. Chúng có thể ở cùng một bên (ví dụ: kẹp nhíp, cần câu). Miễn là mô-men lực của chúng đối nghịch nhau (một theo chiều kim đồng hồ, một ngược chiều kim đồng hồ), sự cân bằng là có thể.

Đọc thêm

Sẵn sàng bắt đầu?

Bây giờ bạn đã nắm được kiến thức cơ bản, hãy bắt đầu thí nghiệm tương tác!

Bắt đầu thí nghiệmBắt đầu trắc nghiệm