Bài 10: Ba định luật Newton về chuyển động

1. ĐỊNH LUẬT I NEWTON

Nhắc lại về khái niệm lực

Từ lớp 6 ở môn Khoa học tự nhiên, các em đã biết khái niệm về lực và một số tính chất của lực như sau:

- Lực là sự kéo hoặc đẩy.

- Lực có các tác dụng: làm biến dạng vật hoặc làm thay đổi chuyển động của vật.

- Lực luôn do một vật tạo ra và tác dụng lên vật khác. Có hai loại lực: lực tiếp xúc và lực không tiếp xúc (Hình 10.2).

Khái niệm quán tính

Xét một quyển sách đang nằm yên trên bàn (Hình 10.3a) và một quả bóng đang nằm yên trên sân cỏ (Hình 10.3b), chúng sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên mãi mãi nếu như không xuất hiện thêm một lực tác dụng.

Xét một vật chuyển động với tốc độ ban đầu là v ở thí nghiệm trong Hình 10.4, vật sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động thẳng đều khi không có lực tác dụng lên vật theo phương chuyển động (Hình 10.4c).

Khi xe đang đứng yên sau đó đột ngột tăng tốc hoặc xe đang chạy đều bất chợt phanh gấp thì người ngồi trên xe sẽ có xu hướng ngả người về phía sau hoặc chúi người về phía trước đối với xe.

Từ một số ví dụ trên, ta có kết luận:

Vật luôn có xu hướng bảo toàn vận tốc chuyển động của mình. Tính chất này được gọi là quán tính của vật.

Khái niệm quán tính được đề cập lần đầu bởi Kepler (Kê-ple), một nhà khoa học người Đức.

Định luật I Newton

Hơn 300 năm trước, nhà bác học Isaac Newton đã nhận thấy xu hướng giữ nguyên vận tốc chuyển động là thuộc tính của vật chất và phát biểu thành định luật đầu tiên trong số ba định luật về chuyển động mang tên ông trong công trình có tên Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, nghĩa là "các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên".

Định luật I Newton được phát biểu như sau:

Một vật nếu không chịu tác dụng của lực nào (vật tự do) thì vật đó giữ nguyên trạng thái đứng yên, hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi.

Ví dụ: Tàu thăm dò Voyager 1 (Hình 10.6) được phóng vào vũ trụ tháng 9/1977 có thể được xem gần đúng là vật tự do bởi lực tác dụng vào nó rất bé, có thể bỏ qua. Hiện nay, tàu đã rời khỏi hệ Mặt Trời đi vào vũ trụ với tốc độ không đổi.

Ý nghĩa của định luật I Newton:

Lực không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động, mà là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chuyển động của vật.

2. ĐỊNH LUẬT II NEWTON

Định luật II Newton

Dạng phổ biến của định luật II Newton được phát biểu như sau:

Gia tốc của vật có cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

\(\overrightarrow{a}=\dfrac{\overrightarrow{F}}{m}\)   (10.1)

Trong hệ SI, đơn vị của lực là N (newton).

1 N = 1 kg.1 m/s²

Trong trường hợp vật chịu tác dụng của nhiều lực thì lực \(\overrightarrow{F}\) trong biểu thức (10.1) là lực tổng hợp của tất cả các lực thành phần:

\(\overrightarrow{F}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}+\overrightarrow{F_3}+...\)   (10.2)

Mức quán tính của vật

Qua ví dụ trong Hình 10.10, ta thấy khối lượng của xe ô tô lớn hơn khối lượng xe máy. Ta thấy khi vật có khối lượng càng lớn thì gia tốc của vật càng nhỏ, tức vật càng khó thay đổi vận tốc, nghĩa là vật có quán tính càng lớn. Ngược lại, vật có khối lượng càng nhỏ thì càng dễ thay đổi vận tốc, nghĩa là vật có quán tính càng nhỏ. Như vậy:

Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Lực bằng nhau – lực không bằng nhau

Định luật II Newton là cơ sở giúp xác định các lực bằng nhau và không bằng nhau:

- Hai lực bằng nhau: khi lần lượt tác dụng vào cùng một vật sẽ gây ra lần lượt hai vectơ gia tốc bằng nhau (giống nhau về hướng và bằng nhau về độ lớn).

- Hai lực không bằng nhau: khi tác dụng lần lượt vào cùng một vật sẽ gây ra lần lượt hai vectơ gia tốc khác nhau (về hướng hoặc độ lớn).

Nếu cho hai lực đồng thời tác dụng vào cùng một vật theo hướng ngược nhau, ta có hai trường hợp có thể xảy ra:

- Vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Hai lực này được gọi là hai lực cân bằng như trong Hình 10.14a.

- Vật thu gia tốc và chuyển động theo hướng của lực có độ lớn lớn hơn. Hai lực này được gọi là hai lực không cân bằng như trong Hình 10.14b.

3. ĐỊNH LUẬT III NEWTON

Định luật III Newton

Khi lấy tay đấm vào bao cát (Hình 10.15a), ta thấy bao cát bị dịch chuyển bởi lực tác dụng của tay lên bao cát. Đồng thời, ta cũng cảm nhận được lực tác dụng bởi bao cát lên tay.

Khi đưa hai cực cùng tên của hai nam châm thẳng lại gần (Hình 10.15b), hai nam châm đều có lực tác dụng lên nhau.

Từ những quan sát và thí nghiệm về sự tương tác giữa các vật, Newton đã phát biểu định luật III Newton:

Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này có điểm đặt lên hai vật khác nhau, có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều

\(\overrightarrow{F_{AB}}=-\overrightarrow{F_{BA}}\)   (10.3)

Một trong hai lực trong định luật III Newton được coi là lực tác dụng, lực kia gọi là phản lực. Cặp lực này:

- Có cùng bản chất.

- Xuất hiện và biến mất cùng lúc.

- Tác dụng vào hai vật khác nhau nên không thể triệt tiêu lẫn nhau.

Vận dụng định luật III Newton

Đệm nhún lò xo được chế tạo và hoạt động dựa trên định luật III Newton. Khi người chơi tác dụng lực vào đệm bằng cách bật nhảy hoặc rơi xuống chạm vào đệm, đệm sẽ tác dụng một lực ngược lại lên người chơi để đẩy người chơi bật lên trên. Đệm nhún lò xo còn được ứng dụng trong biểu diễn chuyên nghiệp.