Lực làm thay đổi chuyển động của vật như thế nào?

Lực là gì?

Trong vật lý, lực được hiểu đơn giản là tác dụng đẩy hoặc kéo của vật này lên vật khác. Ví dụ, khi dùng tay đẩy một chiếc hộp, tay tác dụng lực lên hộp; khi Trái Đất hút một vật rơi xuống, lực hấp dẫn tác dụng lên vật đó.

Lực có hai đặc trưng quan trọng:

·         Độ lớn: Cho biết lực mạnh hay yếu

·         Hướng: Cho biết lực tác dụng theo hướng nào

Đơn vị đo lực trong hệ SI là newton (N). Một lực 1 N là lực có thể tạo ra gia tốc 1 m/s² cho vật có khối lượng 1 kg nếu đó là hợp lực tác dụng lên vật.

Điểm quan trọng là một vật thường chịu nhiều lực cùng lúc. Chẳng hạn, một quyển sách đặt trên bàn chịu trọng lực hướng xuống và lực đỡ của bàn hướng lên. Vì vậy, muốn biết lực làm chuyển động thay đổi như thế nào, cần xét tổng hợp tác dụng của các lực, chứ không chỉ nhìn vào một lực riêng lẻ.

Vì sao lực có thể làm thay đổi chuyển động?

Chuyển động của vật được mô tả bằng vận tốc, trong đó vận tốc gồm cả độ lớn và hướng. Khi vận tốc thay đổi, vật có gia tốc.

Mối quan hệ giữa hợp lực, khối lượng và gia tốc được biểu diễn bằng định luật II Newton:

F = ma

Trong đó:

·         F là hợp lực tác dụng lên vật, tính bằng N

·         m là khối lượng của vật, tính bằng kg

·         a là gia tốc, tính bằng m/s²

Từ đó:

a = F/m

Điều này cho thấy, với cùng một vật, hợp lực càng lớn thì gia tốc càng lớn. Với cùng một hợp lực, vật có khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ.

Quan trọng hơn, gia tốc có cùng hướng với hợp lực. Vì vậy, hướng của hợp lực quyết định cách vận tốc của vật thay đổi.

Lực làm vật tăng tốc, giảm tốc hoặc đổi hướng ra sao?

Tác dụng cụ thể của lực phụ thuộc vào hướng của hợp lực so với hướng chuyển động hiện tại.

Khi lực cùng hướng với chuyển động

Nếu hợp lực hướng cùng chiều với vận tốc, độ lớn vận tốc tăng. Vật tăng tốc.

Ví dụ, khi đạp xe và lực đẩy tổng hợp theo hướng xe đang chạy, xe có thể chạy nhanh dần.

Khi lực ngược hướng với chuyển động

Nếu hợp lực hướng ngược chiều vận tốc, độ lớn vận tốc giảm. Vật giảm tốc.

Ma sát là một ví dụ quen thuộc. Khi một vật trượt trên bề mặt, lực ma sát thường có hướng chống lại chuyển động nên làm vật chậm dần nếu không có lực khác bù lại.

Khi lực có thành phần làm thay đổi hướng chuyển động

Nếu hợp lực không cùng phương với vận tốc, nó có thể làm thay đổi hướng của vận tốc. Khi đó, vật có thể đổi hướng ngay cả khi độ lớn tốc độ không giảm.

Ví dụ, một quả bóng đang bay bị đánh lệch sang hướng khác. Lực của cú đánh làm vận tốc của bóng thay đổi cả về độ lớn và hướng.

Như vậy, “tăng tốc”, “giảm tốc” và “đổi hướng” đều là những dạng thay đổi chuyển động do hợp lực gây ra.

Khi nào lực không làm thay đổi chuyển động của vật?

Không phải cứ có lực tác dụng là vật nhất thiết phải tăng tốc hoặc giảm tốc.

Điều quyết định là hợp lực. Nếu các lực cân bằng nhau, tổng lực bằng 0:

F = 0

Khi đó, gia tốc bằng 0. Vật đang đứng yên có thể tiếp tục đứng yên; vật đang chuyển động có thể tiếp tục chuyển động thẳng với vận tốc không đổi, nếu không có tác động khác.

Ví dụ, một quyển sách nằm yên trên mặt bàn chịu trọng lực hướng xuống và lực đỡ của bàn hướng lên. Hai lực này cân bằng nên quyển sách không có gia tốc.

Điều này cũng giải thích một hiểu lầm phổ biến: cần lực để duy trì chuyển động không phải là cách hiểu chính xác trong cơ học Newton. Nếu hợp lực bằng 0, một vật đang chuyển động không nhất thiết phải có lực cùng chiều chuyển động để tiếp tục đi.

Khối lượng ảnh hưởng thế nào đến tác dụng của lực?

Với cùng một hợp lực, khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ, theo quan hệ:

a = F/m

Hãy tưởng tượng cùng tác dụng một lực như nhau lên một quả bóng và một vật có khối lượng lớn hơn. Vật nhẹ hơn sẽ có sự thay đổi vận tốc lớn hơn.

Khối lượng vì thế liên quan đến quán tính — xu hướng chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động. Vật có khối lượng lớn thường cần hợp lực lớn hơn để tạo ra cùng một gia tốc.

Tuy nhiên, khối lượng không quyết định riêng việc vật tăng tốc, giảm tốc hay đổi hướng. Hướng và độ lớn của hợp lực vẫn quyết định dạng thay đổi vận tốc, còn khối lượng quyết định mức độ thay đổi đó.

Hiểu lực qua những tình huống quen thuộc

Có thể nhận biết tác dụng của lực bằng cách xem vận tốc của vật thay đổi như thế nào.

Điểm chung của các trường hợp trên là cần xét sự thay đổi vận tốc, thay vì chỉ hỏi vật có “đang chuyển động” hay không.

Một cách đơn giản để phân tích một tình huống là:

1.    Xác định các lực đang tác dụng lên vật

2.    Xác định hướng và độ lớn tương đối của các lực

3.    Xét hợp lực

4.    So sánh hướng hợp lực với vận tốc hiện tại

5.    Kết luận vật tăng tốc, giảm tốc, đổi hướng hay giữ nguyên trạng thái chuyển động

Lực là tác dụng đẩy hoặc kéo có độ lớn và hướng. Điều quan trọng nhất khi xét tác dụng của lực là hợp lực, vì hợp lực khác 0 tạo ra gia tốc và làm thay đổi vận tốc của vật. Hợp lực cùng hướng chuyển động có thể làm vật tăng tốc, ngược hướng có thể làm vật giảm tốc, còn hợp lực lệch hướng có thể làm vật đổi hướng. Nếu các lực cân bằng và hợp lực bằng 0, vật không có gia tốc. Vì vậy, để hiểu lực làm thay đổi chuyển động như thế nào, cần luôn xét cả độ lớn, hướng của lực, hợp lực và khối lượng của vật.