Định luật I Newton giải thích chuyển động như thế nào?

Trạng thái chuyển động mà định luật I Newton mô tả

Định luật I Newton, còn gọi là định luật quán tính, mô tả xu hướng bảo toàn trạng thái chuyển động của vật.

Có hai trường hợp:

·         Vật đang đứng yên: Vận tốc bằng không và tiếp tục bằng không nếu hợp lực bằng không

·         Vật đang chuyển động: Vật tiếp tục chuyển động thẳng với vận tốc không đổi nếu hợp lực bằng không

Điểm quan trọng là “vận tốc không đổi” không chỉ có nghĩa là tốc độ không đổi. Vận tốc là đại lượng vectơ nên cả độ lớn và hướng đều phải không đổi. Do đó, chuyển động được duy trì phải là chuyển động thẳng đều.

Có thể biểu diễn điều kiện của định luật bằng:

[

\sum \vec{F}=0 \Rightarrow \vec{v}=\text{hằng số}

]

Trong đó, vận tốc bằng không cũng là một trường hợp của vận tốc không đổi.

Vì sao hợp lực bằng không thì vật không thay đổi vận tốc?

Điểm cốt lõi của định luật I Newton nằm ở mối quan hệ giữa hợp lực và sự thay đổi vận tốc.

Hợp lực là tổng vectơ của tất cả các lực tác dụng lên vật. Khi các lực cân bằng nhau, tổng của chúng bằng không. Khi đó, vật không có nguyên nhân làm thay đổi vận tốc, nên vận tốc được giữ nguyên.

Điều này cũng phù hợp với định luật II Newton:

[

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

]

Nếu:

[

\sum \vec{F}=0

]

thì:

[

\vec{a}=0

]

Gia tốc bằng không nghĩa là vận tốc không thay đổi. Vì vậy, vật có thể đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.

Định luật I Newton vì thế không nói rằng “vật phải đứng yên khi không có lực”. Nó nói rằng vật giữ nguyên trạng thái vận tốc hiện tại.

Hợp lực bằng không không có nghĩa là vật không chịu lực

Đây là điểm dễ gây nhầm lẫn khi học định luật I Newton.

Một vật có thể đồng thời chịu nhiều lực nhưng vẫn có hợp lực bằng không. Chẳng hạn, một quyển sách nằm yên trên mặt bàn chịu trọng lực hướng xuống và lực đỡ của mặt bàn hướng lên. Nếu hai lực cân bằng, hợp lực tác dụng lên sách bằng không nên sách tiếp tục đứng yên.

Tương tự, một vật đang chuyển động cũng có thể chịu nhiều lực nhưng vẫn chuyển động thẳng đều nếu các lực cân bằng nhau. OpenStax mô tả trường hợp ô tô chuyển động với vận tốc không đổi: lực kéo theo phương ngang có thể cân bằng lực cản, trong khi trọng lực được cân bằng bởi lực pháp tuyến.

Vì vậy, cần phân biệt:

Không có lực tác dụng ≠ hợp lực bằng không

Hợp lực bằng không có thể xảy ra khi:

·         Không có lực đáng kể tác dụng lên vật

·         Có nhiều lực tác dụng nhưng chúng cân bằng nhau

Điều quyết định trạng thái chuyển động là hợp lực, không phải chỉ là số lượng lực tác dụng lên vật.

Định luật I Newton cho biết khi nào trạng thái chuyển động thay đổi

Định luật I Newton cũng giúp xác định điều kiện để trạng thái chuyển động không thay đổi.

Nếu hợp lực bằng không:

[

\sum \vec{F}=0

]

thì vận tốc không đổi.

Ngược lại, khi hợp lực khác không:

[

\sum \vec{F}\ne0

]

thì vật có gia tốc, tức là vận tốc phải thay đổi về độ lớn, hướng hoặc cả hai. Đây là cầu nối quan trọng giữa định luật I và định luật II Newton.

Ví dụ, một quả bóng đang lăn trên mặt đất thường chậm dần rồi dừng lại. Điều này không có nghĩa vật tự nhiên có xu hướng trở về trạng thái đứng yên. Lực ma sát tác dụng ngược chiều chuyển động tạo ra hợp lực khác không, làm vận tốc của bóng giảm. Nếu loại bỏ hoặc giảm đáng kể lực cản, vật có thể duy trì chuyển động lâu hơn.

Ý nghĩa của quán tính trong định luật I Newton

Quán tính là xu hướng của vật duy trì trạng thái đứng yên hoặc chuyển động của mình. Định luật I Newton chính là cách mô tả định lượng về xu hướng đó: khi không có hợp lực làm thay đổi vận tốc, vật giữ nguyên vận tốc hiện tại.

Khối lượng liên quan đến quán tính: vật có khối lượng càng lớn thì càng khó làm thay đổi trạng thái chuyển động của nó. Tuy nhiên, trong phạm vi câu hỏi về định luật I Newton, điều quan trọng nhất vẫn là điều kiện hợp lực bằng không → vận tốc không đổi.

Ví dụ phân biệt đứng yên và chuyển động thẳng đều

Có thể dùng hai tình huống để nhận biết rõ hơn:

Một vật đứng yên: Nếu tổng các lực tác dụng lên vật bằng không, gia tốc bằng không và vận tốc bằng không. Vật tiếp tục đứng yên.

Một vật đang chuyển động: Nếu tổng các lực tác dụng lên vật bằng không, gia tốc bằng không nhưng vận tốc có thể khác không. Vật tiếp tục chuyển động thẳng với tốc độ và hướng không đổi.

Như vậy, đứng yên không phải là trạng thái duy nhất được duy trì khi hợp lực bằng không. Chuyển động thẳng đều cũng là một trạng thái cân bằng về mặt chuyển động. OpenStax gọi trường hợp đứng yên là cân bằng tĩnh và trường hợp chuyển động với vận tốc không đổi là cân bằng động.

Điều kiện áp dụng và cách hiểu đúng

Định luật I Newton được phát biểu trong hệ quy chiếu quán tính. Trong hệ quy chiếu này, nếu hợp lực tác dụng lên vật bằng không thì vận tốc của vật không đổi.

Khi giải bài tập, có thể nhận biết nhanh bằng chuỗi suy luận:

[

\sum\vec F=0

]

[

\Rightarrow \vec a=0

]

[

\Rightarrow \vec v=\text{hằng số}

]

Từ đó:

·         Nếu (\vec v=0), vật đứng yên

·         Nếu (\vec v\ne0), vật chuyển động thẳng đều

Điều cần tránh là suy luận “có lực thì vật chuyển động, không có lực thì vật đứng yên”. Cách hiểu này không đúng với định luật I Newton. Một vật có thể đang chuyển động dù hợp lực bằng không; lực tổng hợp chỉ cần xuất hiện khi muốn làm thay đổi vận tốc của vật.

Định luật I Newton vì thế giải thích trạng thái chuyển động theo nguyên tắc: không có hợp lực làm thay đổi vận tốc thì vật bảo toàn vận tốc hiện tại. Đây là nền tảng để hiểu vì sao một vật đứng yên tiếp tục đứng yên và một vật đang chuyển động có thể tiếp tục chuyển động thẳng đều.

Định luật I Newton cho thấy hợp lực bằng không không đồng nghĩa với việc vật không chuyển động. Nó xác lập rằng vận tốc được bảo toàn: vật đứng yên tiếp tục đứng yên, còn vật đang chuyển động tiếp tục chuyển động thẳng đều. Chỉ khi hợp lực khác không, vận tốc mới thay đổi.