Ba định luật về chuyển động của Newton (Newton’s laws of motion)

Định luật I Newton (Định luật Quán tính)

Một vật sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều nếu không có lực nào tác dụng lên nó hoặc nếu tổng các lực tác dụng lên nó bằng không.

Công thức biểu diễn định luật này là:

$\sum \vec{F} = 0 \implies \vec{a} = 0$

Trong đó:

• $\sum \vec{F}$ là tổng vectơ các lực tác dụng lên vật.
• $\vec{a}$ là gia tốc của vật.

Định luật này khẳng định rằng nếu không có lực tác dụng, một vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, và một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi theo một đường thẳng. Điều này có nghĩa là vật có xu hướng “kháng cự” lại sự thay đổi trạng thái chuyển động của nó. Tính chất này của vật được gọi là quán tính. Ví dụ, khi xe phanh gấp, hành khách trên xe sẽ bị chúi người về phía trước do quán tính.

Định luật II Newton (Định luật cơ bản của động lực học)

Gia tốc của một vật tỷ lệ thuận với tổng lực tác dụng lên nó và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Hướng của gia tốc cùng hướng với tổng lực tác dụng.

Công thức biểu diễn định luật này là:

$\sum \vec{F} = m\vec{a}$

Trong đó:

• $\sum \vec{F}$ là tổng vectơ các lực tác dụng lên vật.
• $m$ là khối lượng của vật.
• $\vec{a}$ là gia tốc của vật.

Định luật này cho phép ta tính toán gia tốc của một vật khi biết lực tác dụng và khối lượng của nó. Nó cũng chỉ ra rằng lực và gia tốc là các đại lượng vectơ, nghĩa là chúng có cả độ lớn và hướng. Một lực lớn tác dụng lên một vật có khối lượng nhỏ sẽ tạo ra gia tốc lớn. Ngược lại, cùng một lực đó tác dụng lên một vật có khối lượng lớn hơn sẽ tạo ra gia tốc nhỏ hơn.

Định luật III Newton (Định luật tác dụng và phản tác dụng)

Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều.

Công thức biểu diễn định luật này là:

$\vec{F}{AB} = -\vec{F}{BA}$

Trong đó:

• $\vec{F}_{AB}$ là lực mà vật A tác dụng lên vật B.
• $\vec{F}_{BA}$ là lực mà vật B tác dụng lên vật A.

Điều quan trọng cần lưu ý là hai lực này tác dụng lên hai vật khác nhau, chứ không phải cùng tác dụng lên một vật. Vì vậy, chúng không triệt tiêu lẫn nhau. Ví dụ, khi ta đi bộ, chân ta tác dụng một lực về phía sau lên mặt đất, và mặt đất tác dụng một lực về phía trước lên chân ta, giúp ta di chuyển.

Ứng dụng

Ba định luật chuyển động của Newton có ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày và trong khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• Giải thích chuyển động của các vật thể trong không gian.
• Thiết kế máy móc và phương tiện giao thông.
• Dự đoán quỹ đạo của vệ tinh và tàu vũ trụ.
• Phân tích các hiện tượng vật lý như va chạm và dao động.
  Ví dụ, trong thiết kế ô tô, định luật II Newton được sử dụng để tính toán lực cần thiết để xe tăng tốc hoặc giảm tốc. Định luật III Newton được sử dụng để giải thích hoạt động của động cơ phản lực.

Giới hạn

Ba định luật chuyển động của Newton chỉ áp dụng trong các hệ quy chiếu quán tính (không gia tốc) và với các vật thể chuyển động với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Đối với các hệ quy chiếu phi quán tính hoặc các vật thể chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, cần sử dụng thuyết tương đối của Einstein.

Ví dụ minh họa

Để hiểu rõ hơn về ba định luật chuyển động của Newton, ta có thể xem xét một số ví dụ cụ thể:

• Định luật I: Một cuốn sách nằm yên trên bàn. Tổng các lực tác dụng lên cuốn sách (trọng lực và phản lực của bàn) bằng không, nên cuốn sách tiếp tục đứng yên. Một quả bóng lăn trên mặt băng gần như không ma sát sẽ tiếp tục lăn với vận tốc gần như không đổi theo đường thẳng.
• Định luật II: Khi đẩy một xe đẩy hàng, lực đẩy của ta tạo ra gia tốc cho xe. Xe càng nặng thì gia tốc càng nhỏ với cùng một lực đẩy. Một quả bóng tennis bị đánh bởi vợt sẽ có gia tốc lớn hơn một quả bóng bowling bị đánh với cùng một lực.
• Định luật III: Khi ta nhảy lên khỏi mặt đất, ta tác dụng một lực xuống đất, và đất tác dụng một lực ngược chiều lên ta, đẩy ta lên cao. Một tên lửa đẩy khí nóng về phía sau, và khí nóng đẩy tên lửa tiến về phía trước.

Mối liên hệ giữa ba định luật

Ba định luật chuyển động của Newton có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Định luật I có thể được xem như là một trường hợp đặc biệt của định luật II khi tổng lực tác dụng bằng không. Định luật III chỉ ra rằng các lực luôn xuất hiện theo từng cặp tác dụng lên hai vật khác nhau, điều này rất quan trọng khi phân tích chuyển động của một hệ gồm nhiều vật.

Hệ quy chiếu quán tính

Để áp dụng chính xác ba định luật chuyển động của Newton, ta cần chọn một hệ quy chiếu quán tính. Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều so với một hệ quy chiếu quán tính khác. Ví dụ, một hệ quy chiếu gắn với mặt đất có thể được coi là gần đúng với một hệ quy chiếu quán tính đối với nhiều bài toán cơ học cổ điển.

Thuyết tương đối của Einstein

Như đã đề cập, ba định luật chuyển động của Newton chỉ là xấp xỉ đúng trong phạm vi vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Khi vận tốc của vật thể tiến gần đến tốc độ ánh sáng, cần sử dụng thuyết tương đối hẹp của Einstein để mô tả chính xác chuyển động của nó. Thuyết tương đối rộng của Einstein mở rộng thuyết tương đối hẹp để bao gồm cả trường hấp dẫn và mô tả chuyển động trong các hệ quy chiếu phi quán tính.

• Newton, I. (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Royal Society.
• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2019). Sears and Zemansky’s University Physics with Modern Physics. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa hệ quy chiếu quán tính và phi quán tính? Tại sao việc phân biệt này quan trọng khi áp dụng các định luật Newton?

Trả lời: Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều với vận tốc không đổi. Hệ quy chiếu phi quán tính là hệ quy chiếu có gia tốc. Sự phân biệt này quan trọng vì định luật Newton chỉ áp dụng chính xác trong các hệ quy chiếu quán tính. Trong hệ quy chiếu phi quán tính, xuất hiện các lực quán tính, không tuân theo định luật III Newton. Ví dụ, khi xe phanh gấp, bạn cảm thấy bị đẩy về phía trước. Lực này không phải do một vật nào tác dụng lên bạn mà là do hệ quy chiếu (chiếc xe) đang giảm tốc.

Nếu Định luật I Newton là một trường hợp đặc biệt của Định luật II, tại sao chúng ta vẫn cần cả hai định luật?

Trả lời: Mặc dù Định luật I có thể được suy ra từ Định luật II khi tổng lực bằng không ($ \sum \vec{F} = 0 $ dẫn đến $ \vec{a} = 0 $), nhưng Định luật I vẫn có giá trị riêng. Nó nhấn mạnh tính chất quán tính của vật chất, một khái niệm nền tảng cho việc hiểu Định luật II. Định luật I cũng giúp xác định hệ quy chiếu quán tính, điều kiện cần thiết để áp dụng chính xác Định luật II.

Giải thích tại sao một quả bóng rơi xuống đất và một tờ giấy rơi xuống đất với tốc độ khác nhau, mặc dù chúng đều chịu tác dụng của trọng lực.

Trả lời: Sự khác biệt về tốc độ rơi giữa quả bóng và tờ giấy là do lực cản của không khí. Lực cản không khí tỷ lệ với diện tích bề mặt của vật. Tờ giấy có diện tích bề mặt lớn hơn quả bóng nên chịu lực cản lớn hơn, làm cho nó rơi chậm hơn. Trong môi trường chân không, cả hai vật sẽ rơi với cùng một gia tốc.

Làm thế nào để áp dụng Định luật II Newton cho một hệ gồm nhiều vật?

Trả lời: Khi áp dụng Định luật II Newton cho một hệ gồm nhiều vật, ta cần xem xét từng vật riêng biệt. Viết phương trình $ \sum \vec{F} = m\vec{a} $ cho mỗi vật, xác định tất cả các lực tác dụng lên mỗi vật, bao gồm cả lực tương tác giữa các vật trong hệ. Sau đó, giải hệ phương trình để tìm gia tốc của từng vật.

Thuyết tương đối của Einstein ảnh hưởng đến ba định luật chuyển động của Newton như thế nào?

Trả lời: Thuyết tương đối của Einstein cho thấy ba định luật chuyển động của Newton chỉ là xấp xỉ đúng trong giới hạn vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Ở vận tốc cao, khái niệm về khối lượng, thời gian và không gian thay đổi, và cần sử dụng các phương trình tương đối tính để mô tả chuyển động. Tuy nhiên, trong phần lớn các trường hợp thực tế trong cuộc sống hàng ngày, vận tốc của các vật thể nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, và định luật Newton vẫn cho kết quả rất chính xác.