Định luật 3 Newton (Newton’s Third Law of Motion)

Định luật 3 Newton, còn được gọi là định luật tác dụng phản tác dụng, phát biểu rằng với mọi lực tác dụng, luôn tồn tại một lực phản tác dụng có cùng độ lớn và ngược chiều. Nói cách khác, khi vật A tác dụng một lực lên vật B, thì vật B cũng đồng thời tác dụng một lực lên vật A. Hai lực này có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều.

Phát biểu chi tiết:

Khi vật A tác dụng lên vật B một lực $F{AB}$ thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực $F{BA}$. Hai lực này là hai lực trực đối:

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

Trong đó:

$F_{AB}$ là lực do vật A tác dụng lên vật B (lực tác dụng).
$F_{BA}$ là lực do vật B tác dụng lên vật A (lực phản tác dụng).

Lưu ý quan trọng

Hai lực tác dụng và phản tác dụng luôn xuất hiện thành từng cặp. Một lực không thể tồn tại nếu không có lực còn lại.
Hai lực tác dụng và phản tác dụng tác dụng lên hai vật khác nhau. Chính vì vậy, chúng không thể triệt tiêu lẫn nhau. Nếu chúng tác dụng lên cùng một vật thì vật đó sẽ đứng yên.
Hai lực tác dụng và phản tác dụng luôn cùng bản chất. Ví dụ, nếu $F{AB}$ là lực hấp dẫn thì $F{BA}$ cũng là lực hấp dẫn.

Ví dụ minh họa

Khi ta đi bộ, ta đẩy chân về phía sau (lực tác dụng lên mặt đất). Mặt đất đồng thời đẩy ta về phía trước (lực phản tác dụng lên chân ta), giúp ta di chuyển.
Khi một quả bóng rơi xuống đất (lực tác dụng của Trái Đất lên quả bóng), quả bóng cũng tác dụng một lực lên Trái Đất (lực phản tác dụng của quả bóng lên Trái Đất). Tuy nhiên, do khối lượng Trái Đất rất lớn nên gia tốc của Trái Đất rất nhỏ và ta không nhận thấy được.
Trong động cơ phản lực, nhiên liệu cháy tạo ra khí nóng phụt ra phía sau (lực tác dụng). Luồng khí này đẩy động cơ về phía trước (lực phản tác dụng), tạo ra lực đẩy cho tên lửa hoặc máy bay.

Ứng dụng

Định luật 3 Newton có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của vật lý và kỹ thuật, bao gồm:

Giải thích chuyển động của các vật thể.
Thiết kế động cơ phản lực.
Phân tích lực trong các hệ thống cơ học.
Nghiên cứu về va chạm và tương tác giữa các vật.

Phân biệt với cặp lực cân bằng

Cần phân biệt cặp lực tác dụng – phản tác dụng với cặp lực cân bằng. Hai lực cân bằng tác dụng lên cùng một vật, có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều, và làm cho vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Ngược lại, hai lực tác dụng – phản tác dụng tác dụng lên hai vật khác nhau.

Hệ quả của Định luật 3 Newton

Từ định luật 3 Newton, ta có thể suy ra một số hệ quả quan trọng:

Định luật bảo toàn động lượng: Trong một hệ kín (không có ngoại lực tác dụng), tổng động lượng của hệ là không đổi. Điều này có thể được chứng minh từ định luật 3 Newton và định luật 2 Newton ($F = ma$). Khi hai vật tương tác, lực mà vật A tác dụng lên vật B ($F{AB}$) bằng với lực mà vật B tác dụng lên vật A ($F{BA}$) nhưng ngược chiều. Vì vậy, tổng biến thiên động lượng của hai vật là bằng 0.
Nguyên lý phản lực: Nguyên lý này là ứng dụng trực tiếp của định luật 3 Newton, được sử dụng trong thiết kế động cơ phản lực. Khi một khối lượng khí nóng được đẩy ra phía sau với vận tốc cao, nó tạo ra một lực đẩy về phía trước cho động cơ.

Mở rộng và hạn chế

Định luật 3 Newton áp dụng tốt trong cơ học cổ điển, cho các vật có vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên, trong trường hợp các vật chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, định luật 3 Newton cần được sửa đổi theo thuyết tương đối hẹp. Cụ thể, lực tác dụng và phản tác dụng không còn đồng thời nữa.

Ngoài ra, định luật 3 Newton cũng gặp hạn chế khi áp dụng cho các lực trường, chẳng hạn như lực điện từ. Trong trường hợp này, lực tác dụng và phản tác dụng không nhất thiết phải trực tiếp tác dụng lên nhau, mà có thể thông qua trường trung gian.

Ví dụ nâng cao

Súng giật lùi: Khi viên đạn được bắn ra khỏi nòng súng (lực tác dụng), súng cũng bị giật lùi lại (lực phản tác dụng).
Thuyền buồm: Gió đẩy vào buồm tạo ra một lực (lực tác dụng). Buồm tác dụng một lực lên gió, làm gió đổi hướng. Thành phần của lực này song song với hướng di chuyển của thuyền giúp thuyền tiến về phía trước (lực phản tác dụng từ gió).

[customtextbox title=”Tóm tắt về Định luật 3 Newton” bgcolor=”#e8ffee” titlebgcolor=”#009829″]
Để hiểu rõ và áp dụng chính xác Định luật 3 Newton, cần ghi nhớ một số điểm quan trọng sau: Lực luôn xuất hiện theo cặp tác dụng – phản tác dụng. Không bao giờ tồn tại một lực đơn lẻ. Khi vật A tác dụng lực $F{AB}$ lên vật B, thì vật B cũng đồng thời tác dụng lực $F{BA}$ lên vật A. Hai lực này có cùng độ lớn ($|F{AB}| = |F{BA}|$), cùng phương nhưng ngược chiều ($F{AB} = -F_{BA}$).

Một điểm quan trọng cần lưu ý là hai lực tác dụng – phản tác dụng tác dụng lên hai vật khác nhau. Do đó, chúng không triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai lực tác dụng lên cùng một vật, chúng sẽ triệt tiêu và vật sẽ không thay đổi trạng thái chuyển động. Việc xác định rõ vật nào tác dụng lực lên vật nào là rất quan trọng để tránh nhầm lẫn.

Hai lực tác dụng và phản tác dụng luôn cùng bản chất. Nếu lực tác dụng là lực hấp dẫn, thì lực phản tác dụng cũng là lực hấp dẫn. Tương tự, nếu lực tác dụng là lực ma sát, thì lực phản tác dụng cũng là lực ma sát. Cuối cùng, cần phân biệt rõ cặp lực tác dụng – phản tác dụng với cặp lực cân bằng. Hai lực cân bằng tác dụng lên cùng một vật, trong khi hai lực tác dụng – phản tác dụng tác dụng lên hai vật khác nhau.

[/custom_textbox]

Tài liệu tham khảo

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
Young, H. D., & Freedman, R. A. (2012). Sears and Zemansky’s University Physics with Modern Physics. Pearson Education.
Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Cengage Learning.
Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers. W.H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu lực tác dụng và phản tác dụng luôn bằng nhau về độ lớn và ngược chiều, tại sao chúng không triệt tiêu lẫn nhau?

Trả lời: Chúng không triệt tiêu lẫn nhau vì chúng tác dụng lên hai vật khác nhau. Để hai lực triệt tiêu, chúng phải tác dụng lên cùng một vật. Ví dụ, khi bạn đẩy một bức tường, tay bạn tác dụng lực lên tường, và tường tác dụng một lực ngược lại lên tay bạn. Hai lực này không triệt tiêu nhau vì một lực tác dụng lên tường và lực kia tác dụng lên tay bạn.

Làm thế nào để phân biệt giữa cặp lực tác dụng – phản tác dụng và cặp lực cân bằng?

Trả lời: Điểm khác biệt chính nằm ở vật chịu tác dụng của lực. Cặp lực tác dụng – phản tác dụng tác dụng lên hai vật khác nhau, trong khi cặp lực cân bằng tác dụng lên cùng một vật. Ví dụ, một cuốn sách nằm yên trên bàn chịu tác dụng của trọng lực (hướng xuống) và phản lực từ mặt bàn (hướng lên). Đây là hai lực cân bằng. Còn lực mà Trái Đất tác dụng lên cuốn sách (hút xuống) và lực mà cuốn sách tác dụng lên Trái Đất (hút lên) là cặp lực tác dụng – phản tác dụng.

Định luật 3 Newton có áp dụng được cho các lực không tiếp xúc như lực hấp dẫn hay lực điện từ không?

Trả lời: Có. Định luật 3 Newton áp dụng cho tất cả các loại lực, bao gồm cả lực không tiếp xúc. Ví dụ, Trái Đất hút Mặt Trăng bằng một lực hấp dẫn, và Mặt Trăng cũng hút Trái Đất bằng một lực hấp dẫn có cùng độ lớn và ngược chiều.

Nếu $F{AB} = -F{BA}$, vậy tại sao khi một chiếc xe tải va chạm với một chiếc xe hơi, chiếc xe hơi lại chịu thiệt hại nặng nề hơn?

Trả lời: Mặc dù lực tác dụng giữa hai xe là bằng nhau về độ lớn, nhưng gia tốc của mỗi xe lại khác nhau. Theo định luật 2 Newton ($F = ma$), với cùng một lực tác dụng, vật có khối lượng nhỏ hơn sẽ có gia tốc lớn hơn. Vì khối lượng của xe hơi nhỏ hơn xe tải, nên gia tốc của xe hơi lớn hơn, dẫn đến thiệt hại nặng nề hơn.

Định luật 3 Newton có vai trò gì trong việc giải thích nguyên lý hoạt động của động cơ phản lực?

Trả lời: Động cơ phản lực hoạt động dựa trên nguyên lý phản lực, một ứng dụng trực tiếp của Định luật 3 Newton. Động cơ đẩy khí nóng ra phía sau với một lực nhất định (lực tác dụng). Theo Định luật 3, luồng khí này cũng tác dụng một lực ngược chiều lên động cơ (lực phản tác dụng), đẩy động cơ về phía trước. Lực đẩy này chính là lực đẩy của động cơ phản lực.

Một số điều thú vị về Định luật 3 Newton

Bạn đang tác dụng lực lên Trái Đất ngay bây giờ: Theo định luật 3 Newton, khi bạn ngồi trên ghế, bạn tác dụng một lực xuống ghế, và ghế tác dụng một lực lên bạn. Tương tự, bạn tác dụng một lực xuống Trái Đất do trọng lực, và Trái Đất cũng tác dụng một lực bằng nhau lên bạn. Mặc dù lực này rất nhỏ so với khối lượng Trái Đất, nhưng nó vẫn tồn tại.
Định luật 3 Newton giải thích tại sao chim có thể bay: Khi chim vỗ cánh xuống, chúng đẩy không khí xuống dưới (lực tác dụng). Đồng thời, không khí đẩy ngược lại cánh chim lên trên (lực phản tác dụng), tạo ra lực nâng giúp chim bay. Nguyên lý tương tự cũng áp dụng cho máy bay.
Bạn không thể chạm vào bất cứ thứ gì mà không bị chạm lại: Nghe có vẻ triết học, nhưng thực tế đây là hệ quả trực tiếp của định luật 3 Newton. Khi bạn “chạm” vào một vật, thực chất là các electron trong tay bạn đang đẩy các electron trong vật đó. Đồng thời, các electron trong vật đó cũng đẩy ngược lại các electron trong tay bạn với một lực tương đương. Chính lực đẩy này tạo ra cảm giác “chạm”.
Định luật 3 Newton “vô hình” trong không gian: Trong môi trường không trọng lực, việc di chuyển trở nên khó khăn hơn vì không có mặt đất để đẩy. Các phi hành gia phải dựa vào định luật 3 Newton để di chuyển. Ví dụ, nếu họ muốn di chuyển về phía trước, họ phải đẩy một vật nào đó về phía sau.
Định luật 3 Newton có thể gây nhầm lẫn: Nhiều người lầm tưởng rằng hai lực tác dụng – phản tác dụng triệt tiêu lẫn nhau. Điều này không đúng vì chúng tác dụng lên hai vật khác nhau. Sự nhầm lẫn này có thể dẫn đến những hiểu lầm về cách các vật tương tác với nhau.
Newton đã sử dụng Định luật 3 để giải thích sự bảo toàn động lượng: Mặc dù khái niệm động lượng được phát triển sau này, Newton đã ngầm sử dụng nguyên lý này khi giải thích tại sao tổng động lượng của một hệ kín là không đổi. Điều này cho thấy sự sâu sắc và tầm quan trọng của Định luật 3 Newton trong cơ học cổ điển.