Các định luật về chuyển động của Newton

Định luật 1

Định luật 1 của Newton được phát biểu như sau

Một vật đang đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi nếu không bị buộc phải thay đổi trạng thái đó bởi ngoại lực tác dụng lên vật.

Ý Nghĩa

Định luật 1 của Newton bắt nguồn từ một phát biểu trước đó của Galileo Galilei và còn được gọi là định luật quán tính.

Định luật quán tính nêu lên một đặc tính quan trọng của một vật chuyển động, đó là khuynh hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động (quán tính). Trạng thái chuyển động ở đây được đặc trưng bởi vận tốc (hay tổng quát là động lượng) của chuyển động. Nếu không chịu tác dụng bởi một tổng lực khác không thì một vật đang đứng yên sẽ đứng yên mãi mãi, và một vật đang chuyển động sẽ chuyển động thẳng đều mãi mãi.

Định luật 1 chỉ ra rằng lực không phải là nguyên nhân cơ bản gây ra chuyển động của các vật, mà đúng hơn là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động (thay đổi vận tốc/động lượng của vật).

Nếu không xét tới các lực quán tính, định luật 1 của Newton chỉ nghiệm đúng trong các hệ quy chiếu quán tính, tức là hệ quy chiếu có vận tốc không đổi. Nếu áp dụng định luật này đối với các hệ quy chiếu phi quán tính, chúng ta phải thêm vào lực quán tính. Khi đó, tổng lực bằng lực cơ bản cộng lực quán tính.

Trong thực tế, không có hệ quy chiếu nào là hệ quy chiếu quán tính hoàn toàn. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp cụ thể, một hệ quy chiếu có thể coi gần đúng là hệ quy chiếu quán tính. Ví dụ, khi xét chuyển động của các vật trên bề mặt Trái đất, người ta thường xem hệ quy chiếu gắn với mặt đất như một hệ quy chiếu quán tính.

Định luật 2

Định luật 2 của Newton về chuyển động phát biểu như sau

Biến thiên động lượng của một vật theo thời gian tỉ lệ với tổng lực tác dụng lên vật, và có hướng là hướng của tổng lực.

Ý Nghĩa

Định luật 2 Newton được viết dưới dạng toán học như sau:

$F = m a = m \frac{v}{t} = \frac{mv}{t} = \frac{p}{t}$

$\vec F = \frac{d\vec p}{dt}$

Với:

• $\vec F$ là tổng ngoại lực tác dụng lên vật (trong SI, lực đo bằng đơn vị N)
• $\vec p$ là động lượng của vật (trong SI, động lượng đo bằng đơn vị kg m/s)
• t là thời gian (trong SI, thời gian đo bằng đơn vị s)

Phương trình toán học trên đưa ra một định nghĩa cụ thể và chính xác cho khái niệm lực. Lực, trong vật lý, được định nghĩa là sự thay đổi của động lượng trong một đơn vị thời gian. Như vậy, tổng ngoại lực tác dụng lên một vật tại một thời điểm nhất định (lực tức thời) được biểu thị bởi tốc độ thay đổi động lượng của vật tại thời điểm đó. Động luợng của vật biến đổi càng nhanh khi ngoại lực tác dụng lên vật càng lớn và ngược lại.

Ngoài việc đưa ra định nghĩa cho lực, định luật 2 Newton còn là nền tảng của định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng. Hai định luật này có ý nghĩa quan trọng trong việc đơn giản hóa nghiên cứu về chuyển động và tương tác giữa các vật.

Định luật 2 trong cơ học cổ điển

Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật. Do đó, phương trình định luật 2 Newton trở thành:

$\vec F = \frac{d\vec p}{dt} = \frac{dm\vec v}{dt} = m\frac{d\vec v}{dt}$

$\vec F = m\vec a$

Với:

• m là khối lượng của vật (trong SI, khối lượng đo bằng đơn vị kg)
• $\vec a$ là gia tốc của vật (trong SI, gia tốc đo bằng đơn vị m/s²).

Như vậy trong cơ học cổ điển, tổng ngoại lực bằng tích của khối lượng và gia tốc.

Cũng trong cơ học cổ điển, khi không xét tới lực quán tính, định luật 2, giống như định luật 1, chỉ đúng trong hệ quy chiếu quán tính. Khi áp dụng cho hệ quy chiếu không quán tính, cần thêm vào lực quán tính.

Định luật 2 trong thuyết tương đối hẹp

Trong thuyết tương đối hẹp, định luật 2 Newton được mở rộng để áp dụng cho liên hệ giữa lực-4 và động lượng-4 hay gia tốc-4:

$F^a = \frac{dP^a}{d \tau}$

$F^a = m_0 A^a$

Định luật 3

Định luật 3 của Newton về chuyển động phát biểu như sau

Đối với mỗi lực tác động bao giờ cũng có một phản lực cùng độ lớn, nói cách khác, các lực tương tác giữa hai vật bao giờ cũng là những cặp lực cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều và khác điểm đặt.

Ý Nghĩa

Định luật 3 Newton chỉ ra rằng lực không xuất hiện riêng lẻ mà xuất hiện theo từng cặp động lực-phản lực. Nói cách khác, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác qua lại giữa hai hay nhiều vật với nhau. Cặp lực này, định luật 3 nói rõ thêm, là cặp lực trực đối. Chúng có cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau.

Trong tương tác giữa hai vật A và B. Nếu A tác dụng một lực $\vec F_{AB}$ lên B, thì B cũng gây ra một lực $\vec F_{BA}$ lên A và

$\vec F_{AB} = -\vec F_{BA}$.

Hơn nữa, trong tương tác, A làm thay đổi động lượng của B bao nhiêu thì động lượng của A cũng bị thay đổi bấy nhiêu theo chiều ngược lại.

Định luật 4

Định luật 4 của Newton được phát biểu như sau

Mọi vật ở trạng thái cân bằng sẻ có tổng lực bằng không

Ý Nghĩa

Xét Dao động Lò xo . Nếu Lực làm cho Lò xo di chuyển theo hướng x là F . Kực làm cho Lò xo giản ra theo hướng x là F_s = -kx . Khi Lò xo ở trạng thái cân bằng tổng các lực tác động trên lò xo bằng không . Vậy

F + F_s = 0

F - k x = 0

Định luật 5

Định luật 5 của Newton còn được gọi là Định luật vạn vật hấp dẩn được phát biểu sau

Mọi vật hấp dẩn tỉ lệ nghịch với khoảng cách bình phương'

F ~ $\frac{1}{r_2}$