Định luật III Newton giải thích lực tương tác thế nào?

Định luật III Newton mô tả cặp lực tương tác như thế nào?

Định luật III Newton phát biểu rằng khi hai vật tương tác, lực vật A tác dụng lên vật B và lực vật B tác dụng lên vật A xuất hiện đồng thời, có cùng độ lớn và ngược hướng. Trong ký hiệu vectơ:

[

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

]

Hai lực này tạo thành một cặp lực – phản lực. Chúng không phải hai lực độc lập tình cờ bằng nhau mà là hai phía của cùng một tương tác giữa A và B. Vì thế, khi xác định một lực trong cặp, cần nêu rõ cả vật gây lực và vật chịu lực.

Tên gọi “lực” và “phản lực” không thể hiện thứ tự trước – sau. Có thể đổi cách gọi hai lực mà quan hệ vật lý vẫn không thay đổi: mỗi lực tồn tại đồng thời với lực còn lại trong cùng một tương tác.

Vì sao lực và phản lực xuất hiện đồng thời giữa hai vật?

Tương tác trong cơ học Newton có tính tương hỗ. Khi A và B đang tương tác, chính tương tác đó được mô tả theo hai chiều: A tác dụng lên B và B tác dụng lên A. Vì vậy, không có giai đoạn trong đó một phía đã tạo lực còn phía kia chưa có lực tương ứng.

Nói “lực gây ra phản lực” theo nghĩa phản lực là một đáp ứng xuất hiện sau dễ dẫn đến hiểu sai. Chính xác hơn, lực và phản lực cùng tồn tại trong thời gian hai vật còn tương tác. Khi tương tác đó chấm dứt, cả hai lực thuộc cặp cũng chấm dứt.

Đặc điểm vật lý của một cặp lực tương tác

Một cặp lực – phản lực đúng phải thỏa mãn nhiều dấu hiệu, không chỉ có vẻ “bằng nhau và ngược chiều”. Trong phạm vi cơ học Newton, tỷ số độ lớn của hai lực là 1:1:

[

|\vec{F}{A\to B}|=|\vec{F}{B\to A}|

]

Hai vectơ ngược hướng; khi biểu diễn trong cùng hệ tọa độ, góc giữa chúng là (180^\circ). Chúng cũng thuộc cùng một tương tác. Chẳng hạn, nếu một lực là lực hấp dẫn giữa hai vật thì lực còn lại cũng là lực hấp dẫn; với tương tác tiếp xúc, hai phía của cùng thành phần lực tiếp xúc cũng tạo thành một cặp tương ứng.

Dấu hiệu đặc biệt quan trọng là vật chịu lực. (\vec{F}{A\to B}) tác dụng lên B, còn (\vec{F}{B\to A}) tác dụng lên A. Vì vậy, hai lực bằng nhau và ngược hướng nhưng cùng tác dụng lên một vật không trở thành cặp lực – phản lực chỉ vì hình thức vectơ của chúng giống nhau.

Vì sao lực và phản lực không triệt tiêu nhau?

Hai lực chỉ có thể triệt tiêu trong phép tính tổng lực của một vật khi chúng cùng tác dụng lên chính vật đó. Lực và phản lực của định luật III Newton lại tác dụng lên hai vật khác nhau, nên chúng thuộc hai bài toán tổng lực khác nhau.

Một quyển sách nằm yên trên bàn minh họa rõ sự khác biệt này. Lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên sách và lực đỡ của bàn tác dụng lên sách có thể bằng nhau về độ lớn và ngược hướng khi sách cân bằng. Tuy nhiên, chúng không phải cặp lực – phản lực vì cả hai đều tác dụng lên sách và xuất phát từ hai tương tác khác nhau.

Cặp của lực hấp dẫn Trái Đất tác dụng lên sách là lực hấp dẫn sách tác dụng lên Trái Đất. Cặp của lực bàn tác dụng lên sách là lực sách tác dụng lên bàn. Trong mỗi cặp, một lực tác dụng lên sách còn lực kia tác dụng lên vật tương tác với sách.

Do đó, việc hai vật tác dụng lên nhau những lực bằng nhau không có nghĩa chúng phải chuyển động giống nhau. Chuyển động của mỗi vật phụ thuộc vào toàn bộ các lực tác dụng lên chính vật đó và đặc điểm của vật; định luật III chỉ xác lập quan hệ giữa hai lực của cùng một tương tác.

Cách xác định đúng cặp lực – phản lực trong một tình huống

Khi bài toán có nhiều vật và nhiều lực, nên truy theo quan hệ “vật nào tác dụng lên vật nào” thay vì chỉ tìm hai mũi tên có vẻ đối nhau.

1.    Chọn một tương tác cụ thể: Xác định hai vật A và B đang tương tác với nhau

2.    Viết lực theo chiều A → B: Ghi rõ A là vật gây lực và B là vật chịu lực

3.    Đổi vai hai vật để tìm lực còn lại: Lực tương ứng phải là B → A và thuộc đúng cùng tương tác

4.    Kiểm tra ba điều kiện: Hai lực có cùng độ lớn, ngược hướng và tác dụng lên hai vật khác nhau

Nếu hai lực cùng nằm trên sơ đồ lực của một vật, chúng không thể là cặp lực – phản lực của nhau. Tương tự, chỉ thấy hai lực bằng nhau và ngược hướng vẫn chưa đủ; chúng phải liên hệ cùng hai vật trong cùng một tương tác.

Ký hiệu là một cách kiểm tra nhanh: từ (\vec{F}{A\to B}), lực còn lại trong cặp phải đổi vai hai vật thành (\vec{F}{B\to A}). Cách này đặc biệt hữu ích khi một vật đồng thời chịu lực hấp dẫn, lực đỡ, lực căng hoặc lực ma sát.

Ví dụ định luật III Newton trong các tương tác quen thuộc

Khi tay đẩy tường, tay tác dụng lực lên tường theo một hướng, còn tường tác dụng lực lên tay theo hướng ngược lại. Hai lực bằng nhau về độ lớn nhưng một lực đặt lên tường, lực kia đặt lên tay, nên chúng không triệt tiêu nhau trên cùng một vật.

Khi người bước đi trên mặt đất không trượt, bàn chân tác dụng lực ma sát lên mặt đất theo hướng về phía sau, còn mặt đất tác dụng lực ma sát lên bàn chân theo hướng về phía trước. Đây là cặp lực – phản lực giữa chân và mặt đất; lực từ mặt đất là một trong các lực tác dụng lên cơ thể khi người chuyển động về phía trước.

Trong tương tác vật – Trái Đất, Trái Đất hút vật bằng lực hấp dẫn và vật cũng hút Trái Đất bằng một lực có cùng độ lớn, ngược hướng. Việc chuyển động của hai bên biểu hiện rất khác nhau không mâu thuẫn với định luật III, bởi hai lực tác dụng lên hai vật khác nhau và mỗi vật phải được xét với tổng lực riêng của nó.

Ba trường hợp có hình thức khác nhau nhưng đều được nhận diện theo cùng nguyên tắc: xác định hai vật, đổi vai vật gây lực và vật chịu lực, rồi kiểm tra quan hệ vectơ của hai lực.

Định luật III Newton giải thích lực tương tác bằng quan hệ đối xứng giữa hai vật: A tác dụng lên B bao nhiêu thì B đồng thời tác dụng ngược lại lên A bấy nhiêu. Hai lực có cùng độ lớn, ngược hướng và thuộc cùng một tương tác nhưng tác dụng lên hai vật khác nhau. Vì vậy, để nhận diện đúng lực – phản lực, không chỉ tìm hai lực “bằng và ngược” mà phải kiểm tra xem chúng có đổi vai vật gây lực và vật chịu lực trong cùng một tương tác hay không.