Ba định luật Newton

Vì sao xe dừng đột ngột, người vẫn chúi về trước?

Khi xe đang chạy rồi phanh gấp, xe giảm tốc nhưng cơ thể người vẫn có xu hướng tiếp tục chuyển động về phía trước. Dây an toàn phải tác dụng lực để làm vận tốc cơ thể thay đổi cùng xe. Hiện tượng này gợi ra hai ý cần phân biệt: vật có thể duy trì chuyển động khi hợp lực bằng 0, còn hợp lực gây ra sự thay đổi vận tốc.

Định luật I Newton: hợp lực bằng không

Galilei nhận ra rằng một vật đang chuyển động bị chậm lại vì ma sát. Nếu có thể loại bỏ ma sát và các lực cản, vật không cần một lực để tiếp tục chuyển động. Newton khái quát thành định luật: **Nếu một vật không chịu lực nào hoặc chịu các lực có hợp lực bằng không, vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.** Như vậy, hợp lực bằng không không đồng nghĩa vận tốc bằng không. Nó chỉ cho biết vận tốc không thay đổi. Tính chất giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều được gọi là quán tính.

Vì sao đang chuyển động vẫn có thể có hợp lực bằng 0?

Khi xe trượt bị chậm lại trên sàn, nguyên nhân là lực cản và ma sát, không phải vật tự hết khả năng chuyển động. Định luật I nói về vận tốc không đổi khi hợp lực bằng 0. Một hệ quy chiếu mà định luật này đúng được gọi là hệ quy chiếu quán tính; trong các bài cơ học thông thường, ta dùng gần đúng hệ gắn với mặt đất. Khi xe phanh, cơ thể người có xu hướng giữ vận tốc trước đó nên nghiêng về trước so với xe. Dây an toàn tác dụng lực làm vận tốc cơ thể thay đổi cùng xe. Không cần đặt thêm một “lực quán tính” vào sơ đồ lực xét trong hệ mặt đất ở các bài này.

Định luật II Newton: hợp lực làm vận tốc thay đổi

Quan sát xe chở hàng cho thấy: với cùng khối lượng, lực đẩy lớn hơn tạo gia tốc lớn hơn; với cùng lực đẩy, xe nặng hơn có gia tốc nhỏ hơn. Mối liên hệ được viết dưới dạng vectơ: $$\sum\vec F=m\vec a.$$ Gia tốc cùng hướng với hợp lực, có độ lớn tỉ lệ thuận với hợp lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng. Khối lượng càng lớn thì mức quán tính càng lớn, nghĩa là càng khó thay đổi vận tốc. Khi giải bài, chọn vật → vẽ các lực ngoài tác dụng lên vật → tính hợp lực → áp dụng định luật II. Không vẽ $m\vec a$ như một lực mới.

Ví dụ: tổng hợp lực rồi tìm gia tốc

Xe nhỏ m = 2 kg chịu lực kéo 7 N sang phải và lực cản 3 N sang trái. Chọn phải dương: hợp lực = 4 N, nên a = 4/2 = 2 m/s² sang phải. Nếu xe đang đi trái, nó có thể chậm dần dù gia tốc hướng phải.

Áp dụng

Xe đồ chơi chuyển động thẳng đều trên sàn. Lực kéo ngang và ma sát đều $4$ N, ngược chiều; trọng lực và phản lực sàn đều $10$ N, ngược chiều. Hợp lực tác dụng lên xe bằng bao nhiêu?

A$8$ NB$0$ NC$4$ ND$10$ N

Đối chiếu định luật II bằng số liệu

Từ a = F/m, nếu giữ khối lượng m không đổi thì a tỉ lệ thuận với hợp lực F. Nếu giữ F không đổi thì a tỉ lệ nghịch với m. Muốn kiểm một sự phụ thuộc, cần giữ đại lượng còn lại không đổi. Ví dụ số liệu minh họa: cùng vật 0,50 kg chịu hợp lực 1 N, 2 N, 3 N thì gia tốc tương ứng 2, 4, 6 m/s². Đồ thị a theo F có độ dốc 1/m; đồ thị F theo a có độ dốc m. Đọc rõ đại lượng trên trục trước khi suy khối lượng. Với bộ xe kéo bằng quả nặng qua ròng rọc, phải xác định xét riêng xe hay cả hệ xe–quả nặng. Không lấy trọng lượng quả nặng làm lực căng dây một cách tự động. Có thể kiểm a từ số đo chuyển động ch02, nhưng phải bảo đảm cùng mô hình và điều kiện đầu.

Định luật III Newton: lực luôn xuất hiện theo cặp tương tác

Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, vật B đồng thời tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này cùng phương, cùng độ lớn, ngược chiều và đặt lên hai vật khác nhau: $$\vec F_{A\to B}=-\vec F_{B\to A}.$$ Vì đặt lên hai vật khác nhau nên chúng không phải hai lực cân bằng của một vật và không được cộng vào cùng một sơ đồ lực. Chẳng hạn, bàn đẩy quyển sách lên thì quyển sách cũng ép bàn xuống; còn trọng lực và lực đỡ cùng tác dụng lên sách nên có thể cân bằng nhau.

Áp dụng

Sách nằm yên trên bàn. Lực nào là lực tương tác theo định luật III với **lực bàn tác dụng lên sách**?

ATrọng lực tác dụng lên sách.BLực bàn tác dụng lên sàn.CLực Trái Đất tác dụng lên bàn.DLực sách tác dụng lên bàn.

Cặp lực bằng nhau nhưng gia tốc có thể khác nhau

Vật A tác dụng lên B lực 6 N thì B đồng thời tác dụng trở lại A lực 6 N ngược chiều, dù khối lượng khác nhau. Nếu đây là các hợp lực theo phương xét, A có khối lượng 2 kg đạt gia tốc độ lớn 3 m/s², còn B có khối lượng 3 kg đạt 2 m/s². Lực tương tác bằng nhau không có nghĩa gia tốc bằng nhau. Khi vẽ sơ đồ cho A, chỉ vẽ lực B tác dụng lên A. Lực A tác dụng lên B thuộc sơ đồ của B. Nhờ vậy ta tránh cộng hai lực tương tác để kết luận nhầm cả hai vật đều không thể đổi vận tốc.

Những điều cần nhớ

Định luật I mô tả trạng thái khi hợp lực bằng không; định luật II liên hệ hợp lực với gia tốc; định luật III mô tả cặp lực tương tác giữa hai vật. Luôn chọn rõ một vật trước khi vẽ lực.