Định luật I Newton (quán tính)

Định luật I Newton nói rằng nếu hợp lực ngoài tác dụng lên một vật bằng 0 thì vận tốc của vật giữ nguyên không đổi. Vì vậy, vật hoặc đứng yên, hoặc tiếp tục chuyển động thẳng với tốc độ không đổi.

Phát biểu này áp dụng trong hệ quy chiếu quán tính, tức là hệ quy chiếu không gia tốc. Định luật này cũng được gọi là định luật quán tính vì quán tính là xu hướng của vật chất chống lại sự thay đổi vận tốc.

Định luật I Newton trong một dòng

Trong hệ quy chiếu quán tính,

$$\sum \vec{F}_{\text{ext}} = 0 \Rightarrow \vec{v} = \text{constant}$$

Từ "không đổi" rất quan trọng. Vận tốc không đổi có thể bằng 0, tức là đứng yên, hoặc có thể là bất kỳ chuyển động thẳng đều nào.

Quán tính nghĩa là gì theo cách dễ hiểu

Mọi người đôi khi nói rằng vật đang chuyển động "muốn tiếp tục chuyển động". Cách nói đó khá gần đúng, nhưng chưa đầy đủ. Ý chính xác hơn là vật không thay đổi vận tốc trừ khi có hợp lực ngoài tác dụng.

Vận tốc bao gồm cả hướng lẫn độ lớn. Vì vậy, đổi hướng cũng được tính là thay đổi vận tốc ngay cả khi tốc độ vẫn giữ nguyên. Nếu hướng thay đổi thì hợp lực ngoài không thể bằng 0.

Ví dụ có lời giải: Một đĩa khúc côn cầu trượt trên băng nhẵn

Giả sử một đĩa khúc côn cầu đang trượt về phía đông với vận tốc $3\ \mathrm{m/s}$. Sau khi gậy không còn tiếp xúc, hãy tưởng tượng mặt băng đủ nhẵn để ma sát có thể bỏ qua trong vài giây tiếp theo.

Khi đó hợp lực ngoài xấp xỉ bằng 0, nên định luật I Newton dự đoán rằng đĩa sẽ tiếp tục chuyển động về phía đông với vận tốc khoảng $3\ \mathrm{m/s}$ theo một đường thẳng.

Nếu đĩa chậm lại, điều đó cho thấy hợp lực ngoài thực ra không bằng 0. Trên băng thật, ma sát và lực cản không khí thường làm tốc độ giảm đi một chút, nên dự đoán vận tốc không đổi chỉ đúng đến mức của phép xấp xỉ đó.

Đây là thói quen quan trọng cần rèn: trước hết hãy hỏi liệu hợp lực ngoài có bằng 0 hay không. Nếu có, hãy kỳ vọng vận tốc không đổi. Nếu vận tốc thay đổi về độ lớn hoặc hướng thì hợp lực ngoài không thể bằng 0.

Những lỗi thường gặp với định luật I Newton

• Nghĩ rằng cần có lực để giữ cho vật chuyển động với vận tốc không đổi. Hợp lực chỉ cần thiết để làm thay đổi vận tốc, không phải để duy trì nó.
• Xem "lực bằng 0" là giống với "không chuyển động". Hợp lực bằng 0 cũng có thể tương ứng với chuyển động đều.
• Quên rằng đổi hướng là thay đổi vận tốc. Chuyển động tròn không phải là ví dụ của định luật I Newton vì hướng luôn thay đổi.
• Gọi quán tính là một lực đẩy hoặc lực kéo. Quán tính là một tính chất của vật chất, không phải một lực bổ sung.

Khi nào dùng định luật I Newton

Định luật I Newton là điểm khởi đầu cho việc phân tích lực. Trước khi tính toán bất cứ điều gì, bạn cần hỏi xem chuyển động đó gợi ý hợp lực bằng 0 hay khác 0.

Nó cũng giải thích vì sao dây an toàn lại quan trọng. Khi ô tô dừng đột ngột, cơ thể bạn có xu hướng giữ vận tốc trước đó. Dây an toàn cung cấp lực ngoài làm thay đổi chuyển động ấy một cách an toàn.

Trong vật lý nhập môn, định luật này cũng được dùng để biện minh cho các mô hình đơn giản. Ví dụ, chuyển động ném ngang thường được xem là chuyển động có vận tốc không đổi theo phương ngang khi bỏ qua lực cản không khí, vì khi đó hợp lực theo phương ngang được coi là bằng 0.

Hãy thử một trường hợp tương tự

Hãy tự thử với một tình huống quen thuộc: một quyển sách nằm yên trên bàn, một đĩa trượt sau cú đánh, hoặc một hành khách chúi người về phía trước khi xe phanh. Bắt đầu bằng một câu hỏi: hợp lực ngoài có bằng 0 không? Kiểm tra đó thường sẽ cho bạn biết liệu định luật I Newton có áp dụng trực tiếp hay bạn cần dùng tiếp định luật II Newton.