Các định luật chuyển động của Newton — Giải thích chi tiết Định luật I, II và III

Các định luật chuyển động của Newton tập trung giải quyết một vấn đề cốt lõi: Lực làm thay đổi chuyển động của vật thể như thế nào. Trước hết, bạn có thể ghi nhớ ba câu tóm tắt sau:

• Định luật I: Khi hợp lực tác dụng lên vật bằng không, vật sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
• Định luật II: Khi hợp lực khác không, vật sẽ có gia tốc; với khối lượng không đổi, $\sum \vec{F} = m\vec{a}$.
• Định luật III: Khi hai vật tương tác với nhau, lực luôn xuất hiện theo cặp, có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau.

Nếu bạn chỉ muốn phân biệt nhanh ba định luật này, hãy nhớ: Định luật I nói về "khi nào không đổi", Định luật II nói về "thay đổi như thế nào", và Định luật III nói về "tại sao lực lại xuất hiện theo cặp".

Định luật I Newton nói về điều gì: Khi hợp lực bằng không, vận tốc không đổi

Định luật I Newton còn được gọi là định luật quán tính. Định luật này phát biểu rằng: Trong hệ quy chiếu quán tính, nếu một vật chịu tác dụng của hợp lực bằng không, thì vật đó hoặc là đứng yên, hoặc là chuyển động thẳng đều.

Viết dưới dạng công thức là:

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

Ở đây, "vận tốc không đổi" không chỉ là tốc độ không đổi mà còn bao gồm cả hướng không đổi. Vì vậy, một khi vật rẽ hướng, dù tốc độ không đổi thì vận tốc đã thay đổi, và Định luật I không thể trực tiếp mô tả trạng thái chuyển động này.

Quán tính không phải là một loại lực, mà là đặc tính "chống lại sự thay đổi vận tốc" của vật thể. Khối lượng càng lớn thì thông thường vật càng khó bị tăng tốc hoặc giảm tốc.

Cách vận dụng Định luật II Newton: Xem hợp lực trước, xem gia tốc sau

Nếu hợp lực khác không, vận tốc của vật sẽ thay đổi. Đối với vật có khối lượng không đổi, Định luật II Newton thường được viết là:

$\sum \vec{F} = m\vec{a}$

Công thức này kết nối trực tiếp "lực tác dụng" với "sự thay đổi chuyển động". Điều quan trọng nhất khi làm bài là $\sum \vec{F}$ trong công thức là hợp lực, không phải là một lực đơn lẻ nào đó.

• Hướng của hợp lực chính là hướng của gia tốc.
• Hợp lực càng lớn, gia tốc càng lớn.
• Khối lượng càng lớn thì với cùng một hợp lực, gia tốc sẽ càng nhỏ.

Cần làm rõ điều kiện ở đây: Dạng phổ biến $\sum \vec{F} = m\vec{a}$ mặc định thảo luận về vật có khối lượng không đổi và thường nằm trong hệ quy chiếu quán tính. Đối với hầu hết các bài tập vật lý phổ thông và đại học cơ bản, điều kiện này đều thỏa mãn.

Tại sao Định luật III Newton dễ gây nhầm lẫn: Một cặp lực tác dụng lên các vật khác nhau

Định luật III Newton không thảo luận về việc "một vật chuyển động thế nào", mà là "hai vật tác dụng lực lên nhau ra sao".

Nếu vật $A$ tác dụng một lực lên vật $B$, thì vật $B$ đồng thời sẽ tác dụng lên vật $A$ một lực có độ lớn bằng nhau và hướng ngược lại:

$\vec{F}_{A \to B} = -\vec{F}_{B \to A}$

Điểm dễ gây nhầm lẫn nhất là: Hai lực này tác dụng lên hai vật khác nhau, vì vậy chúng không triệt tiêu lẫn nhau trong cùng một sơ đồ phân tích lực của một vật.

Ví dụ, khi bạn đẩy một chiếc thùng, bạn tác dụng một lực đẩy lên thùng; đồng thời, chiếc thùng cũng tác dụng một lực đẩy ngược lại bạn. Đây chính là một cặp lực theo Định luật III.

Một ví dụ kết nối cả ba định luật: Người đẩy thùng trên mặt đất

Giả sử có một chiếc thùng đặt trên mặt đất nằm ngang. Một người đẩy thùng theo phương ngang với lực đẩy là $50\ \mathrm{N}$, lực ma sát là $30\ \mathrm{N}$, và khối lượng của thùng là $10\ \mathrm{kg}$.

Đầu tiên, áp dụng Định luật II. Hợp lực tác dụng lên thùng là:

$\sum F = 50 - 30 = 20\ \mathrm{N}$

Do đó, gia tốc của thùng là:

$a = \frac{\sum F}{m} = \frac{20}{10} = 2\ \mathrm{m/s^2}$

Điều này cho thấy chiếc thùng sẽ chuyển động về phía trước và ngày càng nhanh hơn.

Nếu sau đó lực đẩy giảm xuống vừa đúng bằng lực ma sát, tức là lực đẩy và lực ma sát đều bằng $30\ \mathrm{N}$, thì hợp lực theo phương ngang trở thành không:

$\sum F = 0$

Lúc này cần xét theo điều kiện. Nếu thùng đang chuyển động và lực ma sát vẫn có thể coi xấp xỉ là $30\ \mathrm{N}$, nó sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Điều này tương ứng với Định luật I.

Xét tiếp Định luật III. Khi người đẩy thùng, thùng cũng đẩy lại người. Hai lực này có độ lớn bằng nhau, hướng ngược nhau, nhưng một lực tác dụng lên người, một lực tác dụng lên thùng, nên không thể lấy chúng trừ cho nhau để tính "hợp lực của thùng".

Trong ví dụ này, ba định luật quản lý ba việc khác nhau: Định luật I phán đoán xem có thay đổi vận tốc hay không khi hợp lực bằng không, Định luật II tính toán gia tốc, và Định luật III dùng để nhận diện cặp lực tương tác.

4 sai lầm thường gặp nhất khi học các định luật Newton

Sai lầm 1: Vật đang chuyển động thì chắc chắn phải có lực đẩy theo hướng chuyển động

Không nhất thiết. Vật có thể duy trì chuyển động đều khi hợp lực bằng không. Lực không dùng để "duy trì chuyển động" mà dùng để "thay đổi vận tốc".

Sai lầm 2: Cặp lực trong Định luật III sẽ triệt tiêu lẫn nhau

Chỉ những lực tác dụng lên cùng một vật mới có thể triệt tiêu trong phân tích lực. Cặp lực trong Định luật III tác dụng lên hai vật khác nhau, nên không thể xử lý như vậy.

Sai lầm 3: Hợp lực bằng không nghĩa là vật đứng yên

Cũng không đúng. Hợp lực bằng không nghĩa là gia tốc bằng không, không nhất thiết vận tốc phải bằng không. Vật có thể đang chuyển động thẳng đều.

Sai lầm 4: Định luật II lúc nào cũng chỉ cần nhớ $F=ma$

Trong các bài tập cơ bản thì thường là đủ, nhưng nó có điều kiện áp dụng. Phổ biến nhất là khối lượng không đổi và hệ quy chiếu xấp xỉ là hệ quán tính. Khi điều kiện thay đổi, không thể áp dụng công thức một cách máy móc.

Các định luật Newton thường được dùng trong những dạng bài nào

Ba định luật này xuất hiện trong hầu hết các bài tập cơ học cơ bản.

• Phân tích các vấn đề về lực như đẩy thùng, kéo xe, mặt phẳng nghiêng, lực căng dây.
• Phán đoán tại sao vật đứng yên, chuyển động đều, tăng tốc hoặc giảm tốc.
• Giải thích các hiện tượng tương tác như đi bộ, nhảy, tên lửa phun khí, bơi lội.
• Làm nền tảng cho các nội dung sau như động lượng, chuyển động tròn, công và năng lượng.

Nếu bạn mới bắt đầu học phân tích lực, một trình tự rất hữu ích là: Chọn đối tượng nghiên cứu $\rightarrow$ Vẽ các ngoại lực $\rightarrow$ Phán đoán hợp lực có bằng không hay không $\rightarrow$ Cuối cùng quyết định dùng Định luật I, Định luật II, hay phối hợp với Định luật III để nhận diện lực tương tác.

Cách phán đoán nhanh nên dùng định luật nào

Nếu bạn chỉ muốn nhớ một khung phán đoán, hãy dùng bản dưới đây:

1. Hỏi trước: Hợp lực tác dụng lên vật này có bằng không không?
2. Nếu bằng không $\rightarrow$ Dùng Định luật I để kết luận vận tốc không đổi.
3. Nếu khác không $\rightarrow$ Dùng Định luật II để tìm gia tốc.
4. Nếu đề bài xuất hiện hai vật đẩy, kéo, ép hoặc va chạm lẫn nhau $\rightarrow$ Dùng Định luật III để tìm cặp lực tương tác.

Thử giải một bài tập tương tự

Hãy thay đổi ví dụ về chiếc thùng ở trên: Nếu lực đẩy vẫn là $50\ \mathrm{N}$, nhưng lực ma sát cũng trở thành $50\ \mathrm{N}$, chiếc thùng sẽ chuyển động như thế nào? Nếu lực tương tác giữa người và thùng có độ lớn bằng nhau, tại sao thùng vẫn có thể tăng tốc?

Hãy tự vẽ sơ đồ phân tích lực cho hai câu hỏi này, sau đó kiểm tra lại theo các bước "Xem hợp lực trước, xem cặp tương tác sau". Nếu bạn có thể giải thích rõ ràng hai câu hỏi này, sự hiểu biết của bạn về các định luật Newton thường đã khá vững chắc.