Trong vật lý lớp 10, bài toán về lực ma sát và mặt phẳng nghiêng là một ví dụ điển hình giúp học sinh hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các lực. Một tình huống thường gặp là xét một xe tải có khối lượng m 5 tấn đang đứng yên trên mặt phẳng nghiêng. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết bài toán này, giúp bạn nắm vững kiến thức và áp dụng vào giải các bài tập tương tự.
Xét bài toán cụ thể: Một xe tải có khối lượng m = 5 tấn đang đứng yên trên mặt phẳng nghiêng một góc 30° so với phương ngang. Câu hỏi đặt ra là độ lớn của lực ma sát tác dụng lên xe là bao nhiêu? Để giải quyết bài toán này, chúng ta cần phân tích các lực tác dụng lên xe và điều kiện cân bằng của nó.
Trước hết, ta xác định các lực tác dụng lên xe tải 5 tấn trong tình huống này:
- Trọng lực (P): Là lực hút của Trái Đất tác dụng lên xe, có phương thẳng đứng hướng xuống. Độ lớn của trọng lực được tính bằng công thức P = mg, với m là khối lượng của xe (5 tấn = 5000 kg) và g là gia tốc trọng trường (khoảng 9.8 m/s²).
- Phản lực của mặt phẳng nghiêng (N): Là lực do mặt phẳng nghiêng tác dụng lên xe, có phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng và hướng lên trên.
- Lực ma sát nghỉ (fms): Là lực xuất hiện khi xe có xu hướng trượt xuống mặt phẳng nghiêng nhưng vẫn đứng yên. Lực ma sát nghỉ có phương song song với mặt phẳng nghiêng và hướng ngược chiều với xu hướng chuyển động (hướng lên trên).
Vì xe tải 5 tấn đang đứng yên, nghĩa là nó đang ở trạng thái cân bằng. Theo định luật 1 Newton, hợp lực tác dụng lên xe phải bằng 0. Để phân tích điều này, ta phân tích trọng lực P thành hai thành phần:
- Thành phần vuông góc với mặt phẳng nghiêng (Py): Py = P * cos(30°)
- Thành phần song song với mặt phẳng nghiêng (Px): Px = P * sin(30°)
Để xe cân bằng trên mặt phẳng nghiêng, cần có sự cân bằng lực theo hai phương:
- Phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng: Phản lực N cân bằng với thành phần trọng lực Py. Do đó, N = Py = P * cos(30°).
- Phương song song với mặt phẳng nghiêng: Lực ma sát nghỉ fms phải cân bằng với thành phần trọng lực Px. Do đó, fms = Px = P * sin(30°).
Vậy, độ lớn của lực ma sát tác dụng lên xe tải 5 tấn chính bằng độ lớn của thành phần trọng lực song song với mặt phẳng nghiêng. Điều này có nghĩa là, lực ma sát nghỉ đóng vai trò giữ cho xe không bị trượt xuống, và nó có độ lớn vừa đủ để cân bằng với lực kéo xuống của trọng lực theo phương mặt phẳng nghiêng.
Kết luận: Trong trường hợp xe tải 5 tấn đứng yên trên mặt phẳng nghiêng, độ lớn của lực ma sát tác dụng lên xe bằng với độ lớn của thành phần trọng lực song song với mặt phẳng nghiêng. Đáp án đúng cho câu hỏi trắc nghiệm trên là D. Hiểu rõ nguyên tắc này sẽ giúp bạn giải quyết các bài toán vật lý liên quan đến lực ma sát và mặt phẳng nghiêng một cách dễ dàng và chính xác.
