Sơ đồ lực tác dụng

Sơ đồ lực tác dụng là một hình vẽ đơn giản của một vật được chọn, trong đó mọi lực bên ngoài tác dụng lên vật đều được biểu diễn bằng mũi tên. Bạn dùng nó để tách vật ra khỏi phần còn lại của tình huống, nhờ đó có thể áp dụng các định luật Newton mà không lẫn với những lực tác dụng ở nơi khác.

Cách kiểm tra nhanh nhất là thế này: lúc này cái gì đang đẩy hoặc kéo vật, và nguồn gốc của lực đó là gì? Nếu bạn không thể chỉ ra nguồn gốc, thì lực đó có lẽ chưa nên xuất hiện trên sơ đồ.

Sơ đồ lực tác dụng cho biết điều gì

Một sơ đồ lực tác dụng thường bao gồm:

• vật, được vẽ bằng một hình hộp, chấm, hoặc hình đơn giản khác
• một mũi tên cho mỗi lực bên ngoài tác dụng lên vật đó
• các nhãn như trọng lực $mg$, phản lực pháp tuyến $N$, lực căng $T$, lực ma sát $f$, hoặc lực tác dụng
• các trục tọa độ nếu chúng giúp việc xử lý phương hoặc thành phần trở nên dễ hơn

Từ khóa quan trọng là bên ngoài. Trọng lực được đưa vào vì Trái Đất hút vật. Phản lực pháp tuyến được đưa vào vì bề mặt đẩy vật. Lực căng được đưa vào vì sợi dây kéo vật.

Cách vẽ sơ đồ lực tác dụng

Với hầu hết các bài vật lý nhập môn, quy trình bốn bước này là đủ:

1. Chỉ chọn một vật.
2. Thay vật đó bằng một hình hộp hoặc chấm đơn giản.
3. Thêm một mũi tên cho mỗi lực bên ngoài tác dụng lên vật đó.
4. Ghi nhãn từng lực và chọn các trục tọa độ giúp bài toán dễ xử lý hơn.

Như vậy là đủ để bắt đầu lập phương trình. Nếu một lực tác dụng theo góc nghiêng, sau đó bạn có thể phân tích nó thành các thành phần theo $x$ và $y$, nhưng sơ đồ đầu tiên nên thể hiện lực thực sự trước khi bạn tách nó ra.

Những gì cần bỏ ra ngoài

Việc bỏ bớt những gì không cần thiết là nơi nhiều sai lầm bắt đầu. Một sơ đồ lực tác dụng không nên bao gồm:

• vận tốc hoặc gia tốc được vẽ như thể chúng là lực
• các lực tác dụng lên một vật khác
• một lực được thêm vào chỉ vì vật đang chuyển động
• lực đối theo định luật III Newton, trừ khi nó cũng tác dụng lên chính vật đã chọn

Ví dụ, nếu một chiếc hộp đè xuống mặt bàn, thì lực hướng xuống đó tác dụng lên cái bàn. Nó không thuộc sơ đồ lực tác dụng của chiếc hộp.

Ví dụ minh họa: hộp bị kéo trên sàn nhám

Giả sử một chiếc hộp được kéo sang phải bằng một sợi dây nằm ngang trong khi trượt trên một sàn nhám. Hãy vẽ sơ đồ chỉ cho chiếc hộp, không phải cho sợi dây hay mặt sàn.

Các lực tác dụng lên hộp là:

• trọng lực $mg$ hướng xuống
• phản lực pháp tuyến $N$ hướng lên từ sàn
• lực căng $T$ hướng sang phải từ sợi dây
• lực ma sát trượt $f_k$ hướng sang trái từ sàn

Khi sơ đồ đã rõ ràng, hãy viết định luật II Newton cho từng phương:

$$\sum F_x = T - f_k$$ $$\sum F_y = N - mg$$

Nếu hộp chuyển động với tốc độ không đổi và sợi dây nằm ngang, thì gia tốc bằng không. Trong điều kiện đó,

$$T = f_k$$

và

$$N = mg$$

Những đẳng thức đó phụ thuộc vào điều kiện cụ thể. Nếu hộp tăng tốc, thì $T > f_k$. Nếu sợi dây kéo chếch lên trên một góc, thì bạn không nên giả sử $N = mg$ vì một phần lực kéo sẽ làm thay đổi cân bằng lực theo phương thẳng đứng.

Những lỗi thường gặp khi vẽ sơ đồ lực tác dụng

• Nhầm lẫn giữa chuyển động và lực. Một vật có thể chuyển động sang phải trong khi hợp lực bằng không.
• Quên chọn đúng một vật. Sơ đồ lực tác dụng không phải là hình vẽ của toàn bộ tình huống.
• Cho rằng mọi lực tiếp xúc đều tự động tồn tại. Chẳng hạn, lực ma sát chỉ xuất hiện khi điều kiện tiếp xúc và chuyển động cho phép.
• Viết $N = mg$ theo thói quen. Điều đó chỉ đúng trong những trường hợp cụ thể, không phải trong mọi bài toán.

Khi nào dùng sơ đồ lực tác dụng

Sơ đồ lực tác dụng xuất hiện trong gần như mọi chủ đề cơ học: vật trên mặt phẳng, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, cân bằng, và các bài toán định luật II Newton. Nó thường là bước biến một bài toán bằng lời thành phương trình lực có thể giải được.

Nếu bạn muốn có một bước tiếp theo mang tính thực hành, hãy tự thử vẽ cho một bài toán đơn giản về mặt phẳng nghiêng hoặc ròng rọc. Sau đó so sánh hình biểu diễn lực của bạn với định luật II Newton và định luật III Newton để không nhầm giữa cân bằng lực và cặp lực tác dụng - phản tác dụng.