Bài 1 - Các định Luật Newton | Vật Lý Đại Cương

a) Khái niệm về lực

Trong cuộc sống, ta thấy rõ nhiều hiện tượng vật này tác dụng vào vật kia. Chẳng hạn như: khi nâng một vật lên cao, tay ta đã tác dụng vào vật và vật đã đè lên tay ta; khi nam châm để gần đinh sắt sẽ hút đinh sắt, … Để đặc trưng cho các tác dụng đó, người ta đưa ra khái niệm về lực.

Lực là đại lượng vật lý đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác, là số đo của tác động cơ học do các đối tương khác tác dụng vào vật. Số đo ấy đặc trưng cho hướng và độ lớn của tác dụng.

Lực được kí hiệu là F (Force). Trong hệ SI, lực có đơn vị là newton (N). Lực là một đại lượng vectơ ( \( \overrightarrow{F} \)) và một khái niệm cơ bản của Động Lực Học.

+ Phương của lực  \( \overrightarrow{F} \): cho biết phương tác dụng.

+ Chiều của  \( \overrightarrow{F} \): cho biết chiều tác dụng.

+ Độ lớn của  \( \overrightarrow{F} \): cho biết độ mạnh, yếu (cường độ) tác dụng.

+ Điểm đặt của  \( \overrightarrow{F} \): cho biết vị trí (điểm) chịu tác dụng.

Dưới tác dụng của lực, vật có thể thu gia tốc hoặc bị biến dạng. Chương này không nghiên cứu sự biến dạng của vật, chỉ nghiên cứu quan hệ giữa gia tốc của chất điểm với các lực tác dụng vào nó.

Nếu tổng vectơ của hai lực đặt vào chất điểm bằng không thì sự có mặt của các tác động đo bởi các lực đó không được phản ánh trong chuyển động của chất điểm. Hai lực như vậy được gọi là hai lực cân bằng.

Trong cơ học, ta phân biệt ba loại lực:

+ Các lực hút tương hỗ giữa các vật – gọi là lực hấp dẫn.

+ Các lực xuất hiện khi các vật tiếp xúc trực tiếp tác dụng lên nhau. Các lực này có chung bản chất là lực đàn hồi.

+ Các lực là kết quả của sự tương tác giữa hai vật tiếp xúc nhau, chuyển động tương đối với nhau. Các lực này gọi là lực ma sát.

Bản chất và đặc điểm của các lực này, được trình bày rõ hơn ở mục 2.2.

b) Khái niệm về khối lượng

Mọi vật đều có xu hướng bảo toàn trạng thái chuyển động ban đầu của mình. Thuộc tính đó gọi là quán tính của vật. Mức quán tính của vật được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý đó là khối lượng. Ta nói: khối lượng là số đo mức quán tính của vật.

Quán tính của vật thể hiện ở gia tốc mà nó thu được khi có ngoại lực tác dụng và được định lượng bởi định luật II Newton: F = ma. Ta thấy, với cùng một lực tác dụng, trạng thái chuyển động biến đổi càng nhỏ (gia tốc càng nhỏ) khi khối lượng (quán tính) của vật càng lớn và ngược lại.

Khối lượng còn là đại lượng đặc trưng cho mức hấp dẫn giữa vật và các vật khác. Theo Newton, lực hấp dẫn giữa Trái đất và vật là F = mg. Như vậy, đối với cùng một vật, ta có thể viết:  \( F={{m}_{i}}a  \) và  \( F={{m}_{g}}g  \).

Trường hợp thứ nhất, khối lượng là số đo quán tính của vật, nên gọi là khối lượng quán tính và được kí hiệu là  \( {{m}_{i}} \).

Trường hợp thứ hai, khối lượng là số đo tương tác hấp dẫn của vật với Trái đất, nên gọi là khối lượng hấp dẫn và được kí hiệu là mg.

Tuy nhiên, trong sự rơi tự do, mọi vật đều có cùng gia tốc a = g như nhau nên suy ra khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn bằng nhau về trị số:  \( {{m}_{i}}={{m}_{g}}=m  \)   (2.1)

Hệ thức (2.1) là một trong những kết luận vững chắc nhất của vật lý hiện đại. Trên cơ sở đó, ta đi đến khái niệm về khối lượng như sau: Khối lượng là số đo mức quán tính của vật và mức hấp dẫn của vật đối với vật khác. Trong hệ SI, đơn vị đo khối lượng là kilogam (kg) và là một trong bảy đơn vị cơ bản.

Khối lượng không phải là đại lượng bất biến. Thuyết tương đôi hẹp của Einstein đã chỉ ra rằng, khối lượng m của vật tăng theo vận tốc v của nó (xem chương 5) theo công thức:  \( m=\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}} \)  (2.2)

Trong đó mO là khối lượng của vật lúc đứng yên (khối lượng nghỉ),  \( c={{3.10}^{8}}m/s  \) là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, trong phạm vị cơ học cổ điển,  \( v<<c  \) nên  \( m\approx {{m}_{0}} \), ta coi khối lượng là đại lượng bất biến.

c) Phát biểu định luật Newton thứ II

Khi vật chịu tác dụng của ngoại lực  \( \overrightarrow{F} \), nó sẽ thu một gia tốc  \( \vec{a} \) theo hướng của lực, tỉ lệ thuận với lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật:  \( \vec{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m} \)  (2.3)

Nếu vật chịu tác dụng bởi nhiều lực thì  \( \overrightarrow{F} \) chính là hợp lực của các lực thành phần.

Khi đó (2.3) trở thành:  \( \vec{a}=\frac{{{\overrightarrow{F}}_{hl}}}{m}=\frac{\sum{\overrightarrow{F}}}{m}=\frac{{{\overrightarrow{F}}_{1}}+{{\overrightarrow{F}}_{2}}+…+{{\overrightarrow{F}}_{n}}}{m} \)   (2.4)

Định luật II Newton phát biểu ở dạng (2.3) và (2.4) là cơ sở của động lực học chất điểm. Tuy nhiên, phạm vị áp dụng của nó chỉ đúng trong cơ học cổ điển (khối lượng được coi là bất biến).