Lực và chuyển động — Định luật Newton giải thích đơn giản

Lực và chuyển động liên hệ với nhau qua một ý chính: chuyển động chỉ thay đổi khi có hợp lực ngoài khác không. Nếu hợp lực ngoài tác dụng lên một vật bằng không, vận tốc của vật giữ không đổi. Nếu hợp lực ngoài khác không, vật sẽ gia tốc.

Đây là cốt lõi thực tế của các định luật Newton. Nó giải thích vì sao các lực cân bằng không tự động có nghĩa là “không chuyển động” và vì sao các lực không cân bằng làm thay đổi tốc độ, hướng chuyển động hoặc cả hai.

Lực và chuyển động có nghĩa gì trong vật lý

Lực là một tác dụng đẩy hoặc kéo. Trong cơ học, lực là đại lượng vectơ nên hướng rất quan trọng.

Chuyển động mô tả cách vị trí của một vật thay đổi theo thời gian. Nếu vận tốc thay đổi về độ lớn hoặc hướng, vật đang gia tốc.

Từ quan trọng nhất là hợp. Một lực riêng lẻ không cho biết toàn bộ câu chuyện. Điều quan trọng là tổng vectơ của tất cả các lực ngoài tác dụng lên vật.

Các định luật Newton liên hệ lực và chuyển động như thế nào

Định luật I Newton nói rằng nếu hợp lực ngoài bằng không thì vận tốc giữ không đổi. Điều đó gồm hai trường hợp: đứng yên và chuyển động thẳng với tốc độ không đổi.

Định luật II Newton nói rằng hợp lực ngoài làm thay đổi chuyển động. Trong trường hợp khối lượng không đổi thường gặp ở vật lý nhập môn,

$$\vec{F}_{net} = m\vec{a}$$

Vì vậy, hợp lực càng lớn thì gia tốc càng lớn, còn khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ nếu hợp lực như nhau.

Định luật III Newton nói rằng lực giữa hai vật tương tác luôn xuất hiện thành từng cặp bằng nhau và ngược chiều. Nếu bạn đẩy một cái hộp, cái hộp cũng đẩy lại bạn bằng một lực có độ lớn bằng như vậy nhưng ngược hướng. Hai lực đó tác dụng lên hai vật khác nhau nên chúng không triệt tiêu nhau trên cái hộp.

Ví dụ có lời giải: một cái hộp bị đẩy trên sàn

Giả sử một cái hộp có khối lượng $10\ \mathrm{kg}$ được đẩy sang phải bằng một lực $30\ \mathrm{N}$. Lực ma sát tác dụng sang trái với độ lớn $10\ \mathrm{N}$.

Hợp lực theo phương ngang là

$$F_{net} = 30 - 10 = 20\ \mathrm{N}$$

hướng sang phải.

Bây giờ dùng định luật II Newton:

$$a = \frac{F_{net}}{m} = \frac{20\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{kg}} = 2\ \mathrm{m/s^2}$$

Vậy cái hộp gia tốc $2\ \mathrm{m/s^2}$ sang phải.

Vì sao ví dụ này quan trọng:

• Cái hộp không phản ứng với riêng lực đẩy. Nó phản ứng với hợp lực.
• Nếu ma sát tăng lên $30\ \mathrm{N}$, hợp lực sẽ bằng không.
• Khi hợp lực bằng không, cái hộp sẽ có gia tốc bằng không. Điều đó có nghĩa là nó либо đứng yên, либо tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi, tùy vào trạng thái của nó ở thời điểm đó.

Những lỗi thường gặp về lực và chuyển động

Nghĩ rằng cần lực để duy trì chuyển động

Cần hợp lực khác không để thay đổi vận tốc, chứ không phải để duy trì vận tốc không đổi. Chuyển động đều và hợp lực bằng không có thể xảy ra đồng thời.

Chỉ nhìn một lực thay vì hợp lực

Một vật có thể chịu các lực lớn mà vẫn có gia tốc bằng không nếu các lực đó cân bằng nhau.

Nói rằng lực và phản lực triệt tiêu nhau trên một vật

Các cặp lực theo định luật III tác dụng lên các vật khác nhau. Lực tay bạn đẩy cái hộp và lực cái hộp đẩy lại tay bạn không phải là hai lực cùng tác dụng lên cái hộp.

Dùng $F_{net} = ma$ mà quên điều kiện áp dụng

Dạng đơn giản $F_{net} = ma$ là mô hình chuẩn cho trường hợp khối lượng không đổi. Đây là mô hình đúng cho hầu hết bài toán cơ học nhập môn, nhưng nó vẫn là một mô hình có điều kiện áp dụng.

Khi nào bạn dùng ý tưởng này

Lực và chuyển động xuất hiện trong gần như mọi bài toán cơ học: ô tô tăng tốc, thang máy bắt đầu và dừng lại, vận động viên đạp chân khỏi mặt đất, vật trượt có ma sát và vệ tinh đổi hướng dưới tác dụng của trọng lực.

Đây cũng là khung phân tích mà kỹ sư dùng để bắt đầu xem xét tải trọng, gối đỡ, phanh và độ ổn định. Khi bạn tách được từng lực riêng lẻ khỏi hợp lực, nhiều bài toán sẽ dễ hiểu hơn rất nhiều.

Danh sách kiểm tra nhanh để giải bài

Khi gặp một câu hỏi về lực và chuyển động, hãy tự hỏi:

1. Mình đang phân tích một vật nào?
2. Những lực ngoài nào tác dụng lên nó?
3. Các lực đó có cân bằng nhau không, hay có hợp lực khác không?

Danh sách ngắn này thường cho bạn biết vật sẽ giữ vận tốc không đổi hay sẽ gia tốc.

Thử một bài toán lực và chuyển động tương tự

Hãy thay đổi ví dụ cái hộp bằng cách tăng ma sát, giảm khối lượng hoặc đảo chiều lực đẩy, rồi dự đoán chuyển động trước khi tính toán. Nếu bạn muốn thử phiên bản của riêng mình với các con số khác, hãy khám phá một trường hợp lực và chuyển động tương tự với GPAI Solver.