Các định luật chuyển động của Newton — Định luật I, II & III

Các định luật chuyển động của Newton giải thích ba ý tưởng cốt lõi trong cơ học cổ điển: chuyển động giữ nguyên khi hợp lực bên ngoài bằng không, chuyển động thay đổi khi có hợp lực bên ngoài tác dụng, và các lực tương tác luôn xuất hiện thành từng cặp bằng nhau về độ lớn và ngược chiều trên hai vật khác nhau.

Nếu bạn đang giải một bài toán vật lý, điều đó thường dẫn đến ba câu hỏi. Hợp lực có bằng không không? Nếu không, hợp lực là bao nhiêu? Và mỗi cặp tương tác gồm hai vật nào? Khi làm rõ được những điều này, hầu hết các bài cơ học nhập môn sẽ dễ thiết lập hơn nhiều.

Định luật I Newton: Hợp lực bằng không nghĩa là vận tốc không đổi

Định luật I Newton nói rằng một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, hoặc một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi, trừ khi có hợp lực bên ngoài tác dụng lên nó.

Cụm từ quan trọng ở đây là hợp lực bên ngoài. Nếu tất cả các lực bên ngoài cân bằng nhau, vận tốc của vật sẽ giữ nguyên. Vận tốc không đổi cũng bao gồm trường hợp đặc biệt là vật đứng yên.

Định luật này thường được gọi là định luật quán tính. Quán tính là xu hướng của một vật chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động của nó.

Định luật II Newton: Hợp lực quyết định gia tốc

Định luật II Newton nói rằng hợp lực bên ngoài tác dụng lên một vật bằng tốc độ biến thiên của động lượng của vật đó. Trong nhiều bài toán nhập môn, khi khối lượng không đổi, điều này trở thành

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

Điều này có nghĩa là gia tốc cùng hướng với hợp lực. Nếu cùng một hợp lực tác dụng lên một khối lượng lớn hơn, gia tốc sẽ nhỏ hơn. Nếu khối lượng cố định và hợp lực tăng lên, gia tốc sẽ tăng lên.

Điều kiện là rất quan trọng: dạng quen thuộc $F_{net} = ma$ là dạng áp dụng khi khối lượng không đổi.

Định luật III Newton: Các lực tương tác luôn đi thành cặp

Định luật III Newton nói rằng nếu vật A tác dụng một lực lên vật B, thì vật B cũng tác dụng một lực có độ lớn bằng như vậy nhưng ngược hướng lên vật A.

Hai lực đó tác dụng lên hai vật khác nhau. Đây là điểm mà học sinh thường bỏ sót nhất. Vì chúng tác dụng lên các vật khác nhau, chúng không triệt tiêu nhau khi bạn chỉ phân tích chuyển động của một vật.

Ví dụ mẫu: Một chiếc hộp bị đẩy trên sàn

Một chiếc hộp khối lượng $5\ \mathrm{kg}$ được đẩy trên sàn bằng một lực ngang $20\ \mathrm{N}$ sang phải. Lực ma sát tác dụng lên hộp là $5\ \mathrm{N}$ sang trái. Hãy tìm gia tốc của hộp và liên hệ kết quả với cả ba định luật.

Chọn chiếc hộp làm vật cần xét. Sau đó cộng các lực theo phương ngang:

$$F_{net} = 20 - 5 = 15\ \mathrm{N}$$

Vậy theo định luật II Newton,

$$a = \frac{F_{net}}{m} = \frac{15}{5} = 3\ \mathrm{m/s^2}$$

Vì thế chiếc hộp gia tốc sang phải với độ lớn $3\ \mathrm{m/s^2}$.

Bây giờ hãy diễn giải kết quả đó bằng cả ba định luật:

• Định luật I cho biết chiếc hộp chỉ giữ vận tốc không đổi nếu hợp lực bên ngoài bằng không. Ở đây hợp lực không bằng không, nên chuyển động thay đổi.
• Định luật III cho biết chiếc hộp cũng đẩy ngược lại người đó bằng một lực $20\ \mathrm{N}$ sang trái. Lực phản lại này tác dụng lên người, không phải lên hộp, nên nó không làm giảm hợp lực tác dụng lên hộp.

Đây là mẫu tư duy chính cần nhớ. Trước hết hãy tìm hợp lực tác dụng lên một vật đã chọn. Sau đó dùng định luật III một cách riêng biệt để xác định lực tương ứng tác dụng lên vật còn lại.

Những lỗi thường gặp với các định luật Newton

Nhầm hợp lực bằng không với vận tốc bằng không

Nếu hợp lực bên ngoài bằng không thì gia tốc bằng không. Điều đó không có nghĩa là vận tốc phải bằng không. Vật vẫn có thể chuyển động thẳng với tốc độ không đổi.

Dùng một lực thay vì hợp lực

Bạn nên cộng tất cả các lực bên ngoài theo vectơ trước. Gia tốc phụ thuộc vào kết quả tổng hợp, không chỉ vào một lực mà bạn tình cờ chú ý đến.

Ghép sai các lực trong định luật III

Trọng lực và phản lực pháp tuyến thường có cùng độ lớn trong các tình huống đơn giản, nhưng chúng không phải là một cặp lực theo định luật III vì chúng tác dụng lên cùng một vật. Một cặp lực đúng theo định luật III phải tác dụng lên hai vật khác nhau.

Quên điều kiện đằng sau $F_{net} = ma$

Trong cơ học nhập môn, công thức rút gọn này thường đúng vì khối lượng không đổi. Trong các trường hợp tổng quát hơn, phát biểu sâu hơn của định luật II liên quan đến động lượng.

Khi nào dùng các định luật Newton

Các định luật Newton là điểm khởi đầu cho sơ đồ lực, chuyển động của xe cộ, vật rơi, bài toán ma sát, hệ ròng rọc và nhiều mô hình va chạm. Chúng cũng hỗ trợ nhiều phép gần đúng trong cơ học quỹ đạo khi cơ học cổ điển là mô hình phù hợp.

Chúng hoạt động rất tốt cho nhiều bài toán kỹ thuật và vật lý hằng ngày. Ở vận tốc rất cao, trong trường hấp dẫn rất mạnh hoặc ở thang nguyên tử, cần những mô hình nâng cao hơn.

Cách chọn nhanh định luật phù hợp

Dùng định luật I khi bạn muốn kiểm tra xem các lực có cân bằng và chuyển động có giữ nguyên hay không. Dùng định luật II khi bạn cần tìm gia tốc từ hợp lực đã biết, hoặc tìm hợp lực từ gia tốc đã biết. Dùng định luật III khi hai vật tương tác và bạn cần xác định đúng cặp lực.

Tự thử một phiên bản khác

Hãy thay đổi ví dụ sao cho lực ma sát là $20\ \mathrm{N}$ thay vì $5\ \mathrm{N}$. Khi đó hợp lực bằng không, nên chiếc hộp có gia tốc bằng không và giữ vận tốc không đổi nếu nó đã đang chuyển động. Nếu bạn muốn xem phản hồi từng bước sau khi tự làm, hãy so sánh cách thiết lập của bạn với một bài toán lực tương tự trong GPAI Solver.