Nếu chuyển động học mô tả "vật chuyển động như thế nào", thì động lực học trả lời "vì sao vật chuyển động như vậy". Ba định luật Newton là nền tảng của toàn bộ cơ học cổ điển.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Giữ m = 5 kg, tăng F. Quan sát mũi tên gia tốc dài ra → a tỉ lệ thuận với F.
- 2Giữ F = 20 N, đặt μ = 0 rồi tăng khối lượng m. Nhận xét: cùng lực nhưng m lớn hơn → a nhỏ hơn.
- 3Tăng μ (ma sát) lên lớn. Quan sát vật có thể đứng yên nếu F không thắng nổi ma sát.
Định luật II Newton: F = m·a
- Lực kéo F
- Lực ma sát Fms
- Trọng lực P
- Phản lực N
- Gia tốc a
- Lực kéo F
- 20 N
- Lực ma sát Fms
- 4.9 N
- Khối lượng m
- 5 kg
- Gia tốc a = F/m
- 3.02 m/s²
Cùng một lực, khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ. Khi lực kéo không thắng nổi ma sát, vật đứng yên.
Đề bài
Một vật 4 kg chịu lực kéo 12 N trên mặt phẳng không ma sát. Tính gia tốc của vật.
Lời giải
Áp dụng F = ma → a = F/m = 12/4 = 3 m/s².
- Định luật I: không lực → không đổi vận tốc (quán tính).
- Định luật II: F = ma, lực gây gia tốc.
- Định luật III: lực và phản lực trực đối, đặt vào hai vật.
Ba định luật Newton quanh em
Ba định luật Newton giải thích từ vì sao ta phải thắt dây an toàn đến vì sao tên lửa bay được lên trời.
Thắt dây an toàn khi ngồi trên ô tô
Khi xe phanh gấp, theo định luật I, cơ thể người tiếp tục chuyển động về trước theo quán tính dù xe đã dừng. Dây an toàn tác dụng một lực hãm để giảm vận tốc cơ thể một cách an toàn, thay vì để người lao vào vô lăng. Đây là ứng dụng trực tiếp của tính quán tính.
Lý thuyết của bài: Định luật I Newton — vật giữ nguyên trạng thái chuyển động khi không có lực tác dụng.
Đẩy một xe hàng nặng và một xe hàng nhẹ
Với cùng một lực đẩy F, xe nhẹ (m nhỏ) nhận gia tốc lớn hơn xe nặng (m lớn), đúng theo F = ma. Đó là lí do ta dễ đẩy xe đẩy siêu thị rỗng hơn là khi nó đầy hàng: khối lượng tăng làm gia tốc giảm dù lực đẩy như nhau.
Lý thuyết của bài: F = ma — cùng lực, khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ.
Tên lửa đẩy khí ra sau để bay lên trước
Động cơ phụt khí nóng ra phía sau với lực lớn; theo định luật III, khí tác dụng lại tên lửa một phản lực cùng độ lớn hướng về trước đẩy tên lửa đi. Tên lửa bay được trong chân không cũng vì thế — nó không "đẩy vào không khí" mà đẩy vào chính khí nó phun ra.
Lý thuyết của bài: Định luật III Newton — lực và phản lực trực đối, cùng độ lớn.
Ta bước đi được là nhờ lực và phản lực
Khi bước, chân ta đẩy mặt đất ra sau; mặt đất tác dụng lại chân một phản lực hướng về trước giúp ta tiến lên. Hai lực này cùng độ lớn nhưng đặt vào hai vật khác nhau (chân và Trái Đất) nên không triệt tiêu nhau. Trên băng trơn, phản lực ngang quá nhỏ nên ta không bước nổi.
Lý thuyết của bài: Định luật III Newton — hai lực đặt vào hai vật, không cân bằng nhau.
Vật nặng rơi nhanh không khác vật nhẹ trong chân không
Trọng lực tác dụng lên vật nặng lớn hơn, nhưng khối lượng của nó cũng lớn hơn tương ứng. Theo F = ma, gia tốc a = F/m = (mg)/m = g không phụ thuộc khối lượng. Vì vậy mọi vật rơi cùng gia tốc trong chân không — điều mà định luật II Newton giải thích rất gọn.
Lý thuyết của bài: F = ma → a = P/m = mg/m = g, độc lập với khối lượng.
Vì sao lại có công thức F = ma?
Trực giác:Lực được hiểu là "cái gây ra sự thay đổi vận tốc". Cùng một lực đẩy mà vật càng nặng thì càng khó tăng tốc, còn lực càng mạnh thì vận tốc biến đổi càng nhanh. Định luật II Newton chỉ là cách diễn đạt chính xác mối quan hệ đó bằng một đẳng thức.
- 1Trước hết, gia tốc a đo mức độ thay đổi vận tốc theo thời gian (a = Δv/Δt). Lực chính là nguyên nhân làm vận tốc thay đổi, nên a phải phụ thuộc vào lực F.
- 2Thí nghiệm cho thấy: giữ khối lượng không đổi, tăng lực F lên 2 lần thì gia tốc a tăng 2 lần. Vậy a tỉ lệ thuận với F: a ~ F.
- 3Giữ lực không đổi, tăng khối lượng m lên 2 lần thì gia tốc giảm còn một nửa. Vậy a tỉ lệ nghịch với m: a ~ 1/m.
- 4Gộp hai kết quả lại: a ~ F/m, tức a = k·F/m. Bằng cách chọn đơn vị lực (niutơn) sao cho k = 1, ta được a = F/m.
- 5Viết lại dưới dạng quen thuộc: F = ma. Vì lực và gia tốc đều là đại lượng vectơ, công thức đúng cho cả hướng: vectơ lực cùng hướng với vectơ gia tốc.
Ý nghĩa: F = ma nói rằng lực không gây ra chuyển động mà gây ra gia tốc — sự thay đổi vận tốc. Cùng một lực sẽ làm vật nhẹ "bật" nhanh hơn vật nặng, và muốn vật nặng đạt cùng gia tốc thì phải tác dụng lực lớn hơn.