1.11 Định luật I Newton: định luật quán tính
Định luật I Newton là một trong những định luật quan trọng nhất và bị hiểu sai nhiều nhất trong vật lí học. Định luật I Newton phát biểu như sau:
Một vật sẽ vẫn đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều, trừ khi bị tác dụng bởi một ngoại lực không cân bằng.
Nói cách khác, những vật đang đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều không cần bất kì lực nào để duy trì trạng thái hiện tại của chúng. Một vật đứng yên bị tác dụng bởi hai lực cân bằng vẫn đứng yên và không cần lực nào khác để giữ sự đứng yên đó. Ta sẽ không mong quyển sách trong Hình 1.32a đột ngột bắt đầu bay vòng quanh phòng trừ khi có một lực khác nữa tác dụng lên nó. Đối với những vật đang chuyển động thẳng đều, hãy tưởng tượng ta mang một quả bóng chày ra ngoài không gian vũ trụ và ném nó đi. Một khi quả bóng đã rời khỏi tay chúng ta và không còn chịu tác dụng của lực nào nữa, nó sẽ tiếp tục chuyển động ở tốc độ không đổi theo đường thẳng ra xa chúng ta mãi mãi! Không cần thêm lực nào để duy trì chuyển động của nó.
Ví dụ 16. Tìm hiểu định luật I Newton
Một cô giáo dạy vật lí đang lái chiếc Porsche 911 mới mua trên đường cao tốc với vận tốc không đổi 90 km/h. Tại sao cô không tắt máy xe và chuyển động ở tốc độ không đổi theo đường thẳng mãi mãi (giả sử con đường hoàn toàn thẳng tắp và không có giao lộ nào hết)?
Bài giải và liên hệ lí thuyết
Hình 1.35 thể hiện các lực đang tác dụng lên xe. Chúng ta có thể giả sử rằng lực hướng lên do mặt đường tác dụng lên xe và trọng lực tác dụng lên xe hướng xuống là cân bằng nhau, nên hợp lực theo phương thẳng đứng là bằng không. Hai lực nằm ngang, tức lực của động cơ tác dụng lên xe và lực ma sát từ phía mặt đường và sức cản không khí, là cân bằng nếu chiếc xe đang chạy ở một vận tốc không đổi. Hai lực nằm ngang không còn cân bằng nếu động cơ của xe tắt máy. Với động cơ ngừng hoạt động, lực ma sát cuối cùng sẽ làm chiếc xe dừng lại.
Hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu phi quán tính
Điểm nhìn từ đó ta quan sát chuyển động được gọi là hệ quy chiếu. Đó là “chỗ đứng” cố định từ đó ta đánh giá hoặc đo mọi chuyển động khác. Những tình huống trong đó định luật I Newton áp dụng được gọi là hệ quy chiếu quán tính. Trong một hệ quy chiếu quán tính, nhà quan sát hoặc đứng yên hoặc chuyển động ở một vận tốc không đổi so với hệ quy chiếu mà người đó đang quan sát. Một hệ quy chiếu phi quán tính thì có gia tốc, và định luật I Newton không áp dụng được.
Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trong một chiếc xe đang chạy trên một con đường hoàn toàn thẳng và hoàn toàn phẳng ở một tốc độ không đổi. Nếu, hết sức bất ngờ, người tài xế nhấn ga và làm cho xe tăng tốc, bạn sẽ cảm thấy có một lực đẩy bạn về phía lưng ghế ngồi. Từ hệ quy chiếu của bạn ở bên trong xe, bạn đang gia tốc ra phía sau; do đó, theo định luật I Newton, bạn cần một lực không cân bằng tác dụng lên bạn. Nhưng không có cái gì đẩy bạn ra sau hết; nên định luật I Newon không áp dụng được trong một hệ quy chiếu phi quán tính. Một nhà quan sát ở trong một hệ quy chiếu quán tính ở bên đường sẽ thấy có một lực tác dụng lên bạn (tức là bạn đang bị đẩy bởi phía lưng ghế ngồi của bạn) để gia tốc về phía trước cùng với chiếc xe. Vì thế, định luật I Newton chỉ áp dụng được trong hệ quy chiếu quán tính.
Hình 1.36 tóm tắt định luật I Newton và những trạng thái chuyển động mà nó áp dụng được.
- Vẽ sơ đồ vật tự do cho mỗi tình huống sau đây, và xác định xem các lực là cân bằng hay không cân bằng. Giải thích sự lí giải của bạn trong từng trường hợp.
- Một người thủ môn đá vào quả bóng nằm dưới đất.
- Một nhà thiện xạ Olympic bị giật lùi khi nòng súng của anh ta khai hỏa.
- Một đồng xu rơi trong nước trong một cái giếng.
- Một người lính không quân thả xuống đất với cái dù đang mở.
Vật lí - Các khái niệm và quan hệ
Nhiều tác giả
Bản dịch của Thuvienvatly.com
