Hợp chuyển động của vật rắn
Khảo sát vật rắn tham gia hai chuyển động tương đối và kéo theo đều là
chuyển động tĩnh tiến.
Do tính chất của chuyển động tĩnh tiến mọi điểm trên vật rắn sẽ có chuyển
động tương đối và kéo theo như nhau vì thế chuyển động tuyệt đối của chúng
cũng như nhau.
-128-
Ch−¬ng 10
HîP chuyÓn ®éng cña vËt r¾n
Trong ch−¬ng nµy m« h×nh kh¶o s¸t 1
lµ vËt r¾n ®ång thêi tham gia hai chuyÓn
®éng t−¬ng ®èi so víi hÖ ®éng o1x1y1z1 vµ
chuyÓn ®éng kÐo theo cña hÖ ®éng 01
y1
o1x1y1z1 chuyÓn ®éng so víi hÖ cè ®Þnh x1
oxyz (H×nh 10.1).
0
y
Sau ®©y sÏ kh¶o s¸t chuyÓn ®éng
x
tæng hîp cña c¸c tr−êng hîp th−êng gÆp.
H×nh 10-1
10.1. Hîp hai chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn
Kh¶o s¸t vËt r¾n tham gia hai chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi vµ kÐo theo ®Òu lµ
chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn.
Do tÝnh chÊt cña chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn mäi ®iÓm trªn vËt r¾n sÏ cã chuyÓn
®éng t−¬ng ®èi vµ kÐo theo nh− nhau v× thÕ chuyÓn ®éng tuyÖt ®èi cña chóng
còng nh− nhau.
Tõ ®ã ®i ®Õn kÕt luËn: Hép hai chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn cña mét vËt r¾n lµ
mét chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn. VËn tèc vµ gia tèc mäi ®iÓm trong chuyÓn ®éng tæng
hîp ®−îc tÝnh b»ng tæng h×nh häc c¸c vÐct¬ vËn tèc hoÆc c¸c vect¬ gia tèc cña
hai chuyÓn ®éng thµnh phÇn.
r r r
V = V1 + V2 (10.1)
W = W1 + W2 (10.2)
r
Trong ®ã: V vµ W lµ vËn tèc vµ gia tèc cña chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn tæng
-129-
r r
hîp; V 1, V 2 vµ W 1, W 2 lµ vËn tèc vµ gia tèc cña hai chuyÓn ®éng tÜnh tiÕn
thµnh phÇn.
10.2. HîP hai chuyÓn ®éng quay quanh hai trôc
Kh¶o s¸t vËt r¾n ®ång thêi tham gia hai chuyÓn ®éng: chuyÓn ®éng quay
r
t−¬ng ®èi víi vËn tèc gãc lµ ω 1 quanh trôc quay Aa vµ chuyÓn ®éng quay kÐo
r
theo lµ chuyÓn ®éng cña trôc Aa quay quanh trôc Bb víi vËn tèc gãc ω 2 .Ta sÏ
kh¶o s¸t chuyÓn ®éng tæng hîp cña vËt r¾n trong c¸c tr−êng hîp sau.
10.2.1. Khi hai vÐc t¬ ω 1 vµ ω 2 song song cïng chiÒu.
XÐt vËt r¾n lµ mét ®Üa ph¼ng chuyÓn
b' a'
®éng t−¬ng ®èi quay quanh trôc Aa víi vËn tèc ω2 ω1
gãc ω 1 vu«ng gãc víi mÆt ®Üa. Trôc Aa l¹i
B A
quay quanh trôc Bb song song víi vËn tèc gãc
ω 2 cïng chiÒu víi ω 1 (h×nh 10.2).
Ta cã nhËn xÐt r»ng trong qu¸ tr×nh
b a
chuyÓn ®éng mÆt ph¼ng cña ®Üa cã ph−¬ng
kh«ng ®æi nghÜa lµ chuyÓn ®éng tæng hîp cña H×nh 10-2
nã lµ chuyÓn ®éng song ph¼ng. VËn tèc cña
c'
®iÓm A vµ B trªn ®Üa cã thÓ x¸c ®Þnh: a'
b' ω
VA = ω2.AB ; VB = ω1.AB ω1
ω2
C A
Ph−¬ng chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh
B vA
(10.3). ω
ω2 ω1
B
DÔ dµng x¸c ®Þnh ®−îc t©m vËn tèc C A
(S)
vB
tøc thêi cu¶ ®Üa lµ ®iÓm C vµ trôc Cc ®i qua
C song song víi Aa vµ Bb lµ trôc quay tøc
H×nh 10-3
thêi cña ®Üa. Tõ vËn tèc cña ®iÓm A vµ B ta
r
cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vËn tèc gãc tuyÖt ®èi ω cña ®Üa.
VA VB
ω= =
AC BC
-130-
VA + VB VA + VB
hay: ω = =
AC + BC AB
Thay VA = ω2.AB vµ VB = ω1.AB vµo biÓu thøc trªn ta ®−îc:
ω = ω1 + ω2 (10.3)
KÕt luËn: Hîp hai chuyÓn ®éng quay cïng chiÒu quanh hai trôc song song
lµ mét chuyÓn ®éng quay tøc thêi víi vËn tèc gãc b»ng tæng vËn tèc gãc hai
chuyÓn ®éng thµnh phÇn quanh trôc quay tøc thêi song song víi hai trôc quay ®·
cho vµ ®i qua ®iÓm C chia trong ®o¹n AB theo tû lÖ:
ω1 ω2 ω
= =
BC AC AB
10.2.2. Khi hai vÐc t¬ ω 1 vµ ω 2 song song ng−îc chiÒu
Khi hai vÐc t¬ ω 1 vµ ω 2 song song
ng−îc chiÒu ,víi c¸ch biÓu diÔn nh− ë trªn c'
a'
chuyÓn ®éng cña ®Üa vÉn lµ chuyÓn ®éng ω1 ω
b'
song ph¼ng biÓu diÔn trªn (h×nh 10.4). Gi¶ C
B A
thiÕt r»ng ω1 > ω2 khi ®ã vËn tèc hai ®iÓm
ω2
VA = ω2.AB vµ VB = ω1.AB nh−ng hai vÐc
r r ω2 A ω1 ω
t¬ V A vµ V B song song cïng chiÒu. B
C
vB (S) vA
Trªn ®Üa lóc nµy cã thÓ x¸c ®Þnh
®−îc t©m vËn tèc tøc thêi C lµ ®iÓm chia
ω1 ω2 ω H×nh 10-4
ngoµi ®o¹n AB theo tû lÖ = =
BC AC AB
vµ vËn tèc gãc cña ®Üa ®−îc x¸c ®Þnh:
VB VA VB − VA V − VA
ω= = = = B
BC AC BC − AC AB
Thay gi¸ trÞ cña VA vµ VB vµo biÓu thøc trªn ta ®−îc:
ω = ω1 - ω2 (10.4)
-131-
KÕt luËn: Hîp hai chuyÓn ®éng quay ng−îc chiÒu quanh hai trôc song
song lµ mét chuyÓn ®éng quay tøc thêi víi vËn tèc gãc b»ng hiÖu sè vËn tèc gãc
hai chuyÓn ®éng thµnh phÇn quanh trôc quay tøc thêi song song víi hai trôc
quay ®· cho vµ ®i qua ®iÓm C chia ngoµi ®o¹n AB theo tû lÖ:
ω1 ω2 ω
= =
BC AC AB
Tr−êng hîp ®Æc biÖt nÕu ω1 = ω2 nghÜa lµ 2 vÐc t¬ ω 1 vµ ω 2 t¹o thµnh
mét ngÉu vÐc t¬, khi ®ã theo (10.4) ta cã ω=
0. §iÒu nµy chøng tá vËt sÏ cã chuyÓn ®éng
tæng hîp lµ tÜnh tiÕn. ϕ1
ω1
ThÝ dô bµn ®¹p cña xe ®¹p (h×nh 10.5).
D
Bµn ®¹p quay quanh trôc cña nã víi A
ϕ2
vËn tèc ω1 trôc bµn ®¹p l¹i quay quanh trôc V
gi÷a cña xe víi vËn tèc ω2 = ω1, hai vÐc t¬ B
ω2
nµy song song ng−îc chiÒu do ®ã chuyÓn
®éng tæng hîp cña bµn ®¹p sÏ lµ chuyÓn
H×nh 10- 5
®éng tÞnh tiÕn.
10.2.3. Khi hai vÐc t¬ ω 1 vµ ω 2 giao nhau t¹i mét ®iÓm
Kh¶o s¸t vËt r¾n tham gia ®ång thêi hai chuyÓn ®éng quay quanh hai trôc
Oa vµ Ob c¾t nhau t¹i O vµ cã vËn tèc gãc lµ ω 1, ω 2.
Nh− ®· biÕt trong ch−¬ng 9 chuyÓn ®éng tæng hîp cña vËt trong tr−êng
hîp nµy lµ chuyÓn ®éng quay quanh mét ®iÓm cè ®Þnh chÝnh lµ giao ®iÓm O cña
2 vÐc t¬ vËn tèc gãc ω 1, ω 2. Nãi c¸ch kh¸c chuyÓn ®éng tæng hîp cña vËt r¾n
khi nã ®ång thêi tham gia hai chuyÓn ®éng quay quanh hai trôc c¾t nhau sÏ lµ
mét chuÓyn ®éng quay tøc thêi quanh trôc quay tøc thêi ∆ ®i qua giao ®iÓm O
cña hai trôc quay trong chuyÓn ®éng thµnh phÇn víi vËn tèc gãc tuyÖt ®èi ω =
ω 1 + ω 2.
Theo (9.6) vµ (9.7) th× vËn tèc vµ gia tèc cña mét ®iÓm bÊt kú trªn vËt sÏ
-132-
r
®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: VM = ω + OM ; W M = W Mω + W Mε
ThÝ dô: X¸c ®Þnh vËn tèc gãc tuyÖt ®èi cña b¸nh r¨ng nãn 1 biÓu diÔn trªn
(h×nh 10.6) cho biÕt t©m A cña b¸nh xe chuyÓn ®éng víi vËn tèc VA vµ kÝch
th−íc AC = R; OA = l.
Bµi gi¶i: ChuyÓn ®éng cña b¸nh
xe ®−îc h×nh thµnh tõ hai chuyÓn ®éng
B
quay: t−¬ng ®èi quanh trôc OA cña b¸nh ω1
xe vµ chuyÓn ®éng kÐo theo do trôc OA O α A
quay quanh trôc OB. NÕu gãc ϖ1 lµ vËn
tèc gãc cña chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi , ϖ2
C
lµ vËn tèc gãc cña chuyÓn ®éng kÐo theo ω2 ω
th× hai vect¬ ϖ1 vµ ϖ2 giao nhau t¹i O lµ
H×nh 10-6
®iÓm cè ®Þnh trªn trôc OB. ChuyÓn ®éng
tæng hîp cña b¸nh xe sÏ lµ chuyÓn ®éng quay quanh ®iÓm O cè ®Þnh. V× b¸nh xe
(1) ¨n khíp víi b¸nh xe 2 cè ®Þnh nªn ®iÓm C cã vËn tèc VC= 0. DÔ dµng nhËn
thÊy OC lµ trôc quay tøc thêi cña b¸nh xe. NÕu gäi vËn tèc gãc tuyÖt ®èi cña
b¸nh xe lµ ϖ theo (9.7) ta cã:
ϖ = ϖ1 +ϖ2. Trong ®ã ϖ2 cã ph−¬ng OB h−íng xuèng d−íi vµ cã trÞ sè
VA
ω2= .
l
ω2 R
DÔ dµng tÝnh ®−îc: ω= víi sinα = .
sin α l +R2 2
VA R2
Cuèi cïng nhËn ®−îc: ω= 1+ 2 .
R l
10.3. Hîp hai chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ chuyÓn ®éng quay.
Kh¶o s¸t vËt r¾n tham gia ®ång thêi hai chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn víi vËn tèc
v vµ quay quanh mét trôc Aa víi vËn tèc gãc ϖ .
-133-
Bµi to¸n cã thÓ gÆp ph¶i c¸c tr−êng hîp sau:
10.3.1 Khi vËn tèc chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vu«ng gãc víi vËn tèc gãc
cña chuyÓn ®éng quay.
Khi vËn tèc chuyÓn ®éng tÞnh
p
tiÕn vu«ng gãc víi vËn tèc gãc cña
a ω′
chuyÓn ®éng quay. (h×nh 10.7) dÔ
ω
dµng nhËn thÊy r»ng chuyÓn ®éng
(S)
tæng hîp cña vËt lµ chuyÓn ®éng song P
ph¼ng. Cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc trôc A
v
quay tøc thêi Pp cña vËt b»ng c¸ch Π
quay VA ®i mét gãc 900 theo chiÒu
H×nh 10-7
quay vßng cña ω trong mÆt ph¼ng
VA
vu«ng gãc víi vect¬ ϖ vµ lÊy trªn ®ã ®iÓm P c¸ch A mét ®o¹n AP= .
ω
10.3.2. Khi vËn tèc chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ vËn tèc gãc ϖ song song víi
nhau .
XÐt vËt r¾n tham gia 2 chuyÓn ®éng, quay quanh trôc Aa víi vËn tèc gãc
ϖ vµ tÞnh tiÕn víi vËn tèc v theo chiÒu Aa (h×nh 10.8).
ChuyÓn ®éng tæng hîp cña vËt lóc nµy gäi lµ chuyÓn ®éng vÝt. NÕu v vµ ϖ
Cïng chiÒu ta ®−îc chuyÓn ®éng vÝt
a
thuËn vµ v, ϖ ng−îc chiÒu ra ®−îc chuyÓn
ω
®éng vÝt nghÞch.
Kh¶o s¸t 1 ®iÓm trªn vËt trong qu¸ tr×nh vM
v M
chuyÓn ®éng quü ®¹o cña nã n»m trªn mÆt trô
cã trôc Aa b¸n kÝnh b»ng kho¶ng c¸ch gi÷a h
®iÓm ®Õn trôc. D¹ng cña ®−êng quü ®¹o lµ
®−êng xo¾n vÝt. Sau khi quay ®−îc mét vßng A
th× ®iÓm ®ång thêi còng dêi theo trôc Aa mét
H×nh 10-8
-134-
v
®o¹n h = 2π. gäi lµ b−íc vÝt.
ω
Khi vËt chuyÓn ®éng vÝt vËn tèc cña mét ®iÓm M bÊt kú ®−îc x¸c ®Þnh
theo c«ng thøc:
VM = v 2 + r 2 .ω
Trong ®ã r lµ kho¶ng c¸ch tõ M tíi trôc quay. Ph−¬ng tiÕp tuyÕn víi quü
h
®¹o ( ®−êng vÝt), nghÜa lµ hîp víi ®−êng sinh mét gãc α ( tg α = ).
2.π.r
10.3.3 Khi v vµ ϖ hîp víi nhau 1 gãc bÊt kú.
XÐt chuyÓn ®éng cña vËt quay
ω′
quanh trôc Aa víi vËn tèc gãc ω vµ ®ång
ω
thêi chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn víi vËn tèc v ω v
theo ph−¬ng hîp víi Aa 1 gãc α .( H×nh α v v1 α
A A v2
10.9). Trong tr−êng hîp nµy nÕu ph©n
r r ω′′
tÝch vect¬ v thµnh hai thµnh phÇn v 1 a) b)
r
theo ph−¬ng ω vµ v 2 vu«ng goc víi ω
r r r H×nh 10 - 9
nghÜa lµ v = v1 + v 2 . Theo kÕt qu¶ ë
r
môc 10.3.2 chuyÓn ®éng cña vËt cã ω vµ v 2 ®−îc thay thÕ b»ng chuyÓn ®éng
quay tøc thêi quanh trôc C (trôc quay tøc thêi) víi cïng vËn tèc ω. KÕt qu¶
r
chuyÓn ®éng cña vËt sÏ thùc hiÖn hai chuyÓn ®éng: tÞnh tiÕn víi vËn tèc v 1 vµ
quay quanh trôc C víi vËn tèc gãc ω song song víi v1 vµ c¸ch A mét ®o¹n AP =
v2/ω = v.sinα/ω. Ta gäi chuyÓn ®éng nµy lµ chuyÓn ®éng vÝt tøc thêi.
