Bài viết về định luật chuyển động của Newton
1. Định nghĩa về lực
Lực là thứ làm cho vật thể tăng tốc. Nói cách khác, lực là thứ làm cho một vật thể chuyển động, dừng lại hoặc thay đổi hướng chuyển động. Lực là một đại lượng vectơ, do đó, nó có độ lớn và hướng. Ký hiệu của lực là F (Force). F là ký hiệu chung của lực. Có nhiều loại lực khác nhau và không phải tất cả các lực đều có ký hiệu F. Đơn vị trong hệ thống quốc tế là kg m/s² hay còn gọi là Newton.
2. Định nghĩa lực tổng hợp
Lực tổng hợp (ΣF) là tổng của tất cả các lực tác dụng lên một vật. Lực là một đại lượng vectơ, vì vậy lực tổng hợp được tính toán dựa trên quy tắc cộng vectơ.
Tổng lực = 10 Newton, hướng của tổng lực sang phải.
Tổng lực = 8 Newton, hướng của tổng lực sang phải.
Tổng lực = 0
Tổng lực = 0
3. Các định luật chuyển động của Newton
Các định luật chuyển động của Newton là những định luật vật lý về chuyển động của một vật thể do nhà vật lý người Anh, Isaac Newton, đề xuất.
3.1 Định luật thứ nhất của Newton
Định luật thứ nhất của Newton phát biểu rằng mọi vật đang ở trạng thái nghỉ sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ, hoặc mọi vật đang chuyển động thẳng với vận tốc không đổi.
Vật sẽ tiếp tục chuyển động thẳng với vận tốc không đổi nếu tổng lực tác dụng lên vật bằng không.
ΣF = 0
Phương trình này là một phát biểu toán học từ định luật thứ nhất của Newton.
Hãy quan sát một vật thể xung quanh bạn, chẳng hạn như một cái bàn, một hòn đá hoặc bất kỳ vật thể nào khác. Một cái bàn đang ở trạng thái nghỉ sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ nếu không bị di chuyển hoặc không có lực tác động từ bên ngoài, chẳng hạn như lực đẩy hoặc lực kéo. Vậy có lực nào tác động lên bàn, đá hoặc các vật thể đang ở trạng thái nghỉ không? Có một lực tác động lên vật thể, nhưng tổng của tất cả các lực tác động lên vật thể, hay tổng lực, bằng không. Các lực tác động lên các vật thể đứng yên trên bề mặt các hành tinh như Trái đất là lực hấp dẫn (W) và lực pháp tuyến (N). Hướng của lực hấp dẫn vuông góc với tâm Trái đất, hướng của lực pháp tuyến vuông góc hướng lên trên. Độ lớn của hai lực này bằng nhau, nhưng chúng có hướng ngược nhau, vì vậy tổng lực bằng không.
Vậy còn những vật chuyển động thẳng với vận tốc không đổi thì sao? Để làm rõ vấn đề này, giả sử bạn đẩy một vật, ví dụ như một miếng kim loại, trên bề mặt sàn nhà. Sau khi bị đẩy, miếng kim loại chậm lại và dừng lại do ma sát. Để miếng kim loại di chuyển xa hơn hoặc lâu hơn, bạn phải làm nhẵn bề mặt sàn và bề mặt của miếng kim loại. Nếu bề mặt sàn nhẵn và không có ma sát, miếng kim loại sẽ tiếp tục chuyển động và không dừng lại. Vậy có lực nào tác dụng lên miếng kim loại đang chuyển động trên bề mặt sàn hoàn hảo, nhẵn mịn không? Có những lực tác dụng lên miếng kim loại, đó là lực hấp dẫn và lực pháp tuyến. Cả hai lực này đều tác dụng theo phương thẳng đứng và không ảnh hưởng đến chuyển động của miếng kim loại theo phương ngang nếu sàn nhà nhẵn mịn.
3.2 Định luật thứ hai của Newton
Định luật II của Newton phát biểu rằng nếu tổng lực tác dụng lên một vật không bằng không, thì vật đó sẽ có gia tốc. Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của tổng lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật. Hướng của gia tốc trùng với hướng của tổng lực.
ΣF = ma
ΣF = tổng lực (kg m/s² ) , m = khối lượng (kg), a = gia tốc (m/ s² )
Phương trình 1.2 là một phát biểu toán học từ định luật thứ hai của Newton.
Nếu gia tốc bằng 0 (a = 0) thì phương trình 1.2 chuyển thành phương trình 1.1. Như vậy, định luật thứ nhất của Newton là trường hợp đặc biệt của định luật thứ hai của Newton. Dựa trên phương trình 1.2, ta kết luận rằng lực càng lớn thì gia tốc càng lớn; ngược lại, khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ. Mối quan hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc sẽ được hiểu rõ hơn sau khi bạn tiến hành một thí nghiệm về vấn đề này.
Bài toán ví dụ 1:
Dựa vào hình vẽ trên, hãy xác định độ lớn và hướng của gia tốc của các vật…
Giải pháp:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Độ lớn gia tốc = 4 m/s² , hướng gia tốc sang phải.
Bài toán ví dụ 2:
Dựa vào hình vẽ trên, hãy xác định độ lớn và hướng của gia tốc…
Giải pháp:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 – 1 kg m/s 2 = (1 kg) a
3 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 3 kg m/s 2 : 1 kg
a = 3 m/ s²
Độ lớn gia tốc = 3 m/s² , hướng gia tốc sang phải.
3.2.1 Trọng lượng (w)
Trọng lượng là lực hấp dẫn tác dụng lên một vật có khối lượng.
ΣF = ma
w = mg
Phương trình 1.3 là phương trình dùng để tính trọng lượng của một vật.
w = trọng lượng (kg m/s² ) , m = khối lượng (kg), g = gia tốc trọng trường (m/s² ) . Độ lớn của gia tốc trọng trường (g) trên bề mặt Trái đất là 9.8 m/s² . Để đơn giản hóa các phép tính, g được làm tròn thành 10 m/ s².
3.2.2 Lực pháp tuyến (N)
Lực pháp tuyến là lực tác dụng lên hai vật tiếp xúc với nhau, trong đó hướng của lực pháp tuyến vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc.
Quan sát các vật thể vẫn còn ở trên mặt bàn. Lực hấp dẫn hay trọng lượng cũng tác dụng lên vật thể. Các vật thể không rơi tự do như trái cây rơi từ cây xuống vì có lực pháp tuyến tác dụng lên chúng. Trọng lượng (w) và lực pháp tuyến (N) bằng nhau nhưng ngược hướng nhau, do đó tổng lực tác dụng lên vật thể bằng không.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Định luật thứ ba của Newton
Định luật thứ ba của Newton phát biểu rằng nếu vật 1 tác dụng lực lên vật 2 thì đồng thời vật 2 cũng tác dụng lực lên vật 1. Hai lực này có cùng giá trị nhưng hướng ngược nhau. Một lực được gọi là lực tác dụng, lực kia được gọi là lực phản tác dụng.
Lực tác dụng F = – Lực phản tác dụng F
Phương trình 1.3 là một phát biểu toán học từ định luật thứ ba của Newton. Dấu âm trong phương trình 1.3 giải thích hướng của lực.
Hãy làm thí nghiệm để hiểu rõ hơn định luật thứ ba của Newton. Nếu bạn có một chiếc ván trượt, hãy đẩy vào tường trong khi đứng trên ván trượt. Sau khi đẩy vào tường, ván trượt sẽ di chuyển về phía sau. Hướng của lực bạn tác dụng là về phía trước, trong khi hướng chuyển động của ván trượt là về phía sau.
Điều này cho thấy bức tường cũng tác động lên bạn. Khi bạn đẩy bức tường, đồng thời, bức tường cũng đẩy bạn. Lực đẩy của bạn tác động lên bức tường, trong khi lực đẩy của bức tường tác động lên bạn. Cả hai lực đều cùng hướng nhưng ngược chiều nhau. Bạn có thể gọi một lực là lực tác dụng và lực kia là lực phản tác dụng.
Một thí nghiệm khác có thể thực hiện là thổi vào một quả bóng cao su, sau khi quả bóng phồng lên vì chứa đầy không khí, hãy thả nó ra. Sau khi được thả ra, quả bóng sẽ "bay". Hướng chuyển động của quả bóng ngược với hướng không khí thoát ra khỏi quả bóng. Làm thế nào để giải thích điều này?
Khi miệng quả bóng được thả ra, quả bóng sẽ đẩy không khí ra ngoài. Đồng thời, không khí cũng đẩy quả bóng. Lực đẩy của không khí khiến quả bóng bay lên. Lực đẩy của quả bóng tác dụng lên quả bóng, còn lực đẩy của không khí tác dụng lên quả bóng. Hai lực này có cùng hướng nhưng ngược chiều nhau.
Quan sát hình 2 và so sánh với hình 3. Lực pháp tuyến tác dụng lên một vật (N) là lực do một mặt phẳng, chẳng hạn như mặt bàn, tạo ra. Đồng thời, các vật cũng tác dụng lực lên mặt bàn (N'). Cả hai lực pháp tuyến này (N và N') đều có cùng độ lớn, nhưng ngược hướng và tác dụng lên các vật khác nhau. Không giống như N và N có cùng độ lớn và tác dụng lên cùng một vật. Vì vậy, N và N' là các lực tác dụng - phản tác dụng.
