ĐỘNG LỰC HỌC: LỊCH SỬ, NHỮNG GÌ NÓ NGHIÊN CỨU, LUẬT VÀ LÝ THUYẾT - VẬT LÝ - 2026

Động lực học là lĩnh vực cơ học nghiên cứu sự tương tác giữa các cơ thể và tác động của chúng. Nó đề cập đến việc mô tả chúng một cách định tính và định lượng, cũng như dự đoán chúng sẽ phát triển như thế nào theo thời gian.

Áp dụng các nguyên tắc của nó, người ta biết được chuyển động của một cơ thể bị thay đổi như thế nào khi tương tác với người khác, và nếu những tương tác này làm biến dạng nó, vì hoàn toàn có thể xảy ra cùng một lúc cả hai tác động.

Hình 1. Tương tác trên người đi xe đạp sẽ thay đổi chuyển động của họ. Nguồn: Pixabay.

Niềm tin của triết gia Hy Lạp vĩ đại Aristotle (384-322 TCN) đã thịnh hành như là nền tảng của động lực học ở phương Tây trong nhiều thế kỷ. Ông cho rằng các vật thể chuyển động là do một loại năng lượng nào đó đẩy chúng theo hướng này hay hướng khác.

Ông cũng quan sát thấy rằng khi đang đẩy một vật thì chuyển động với vận tốc không đổi, nhưng khi dừng đẩy, vật chuyển động chậm dần đều cho đến khi dừng lại.

Theo Aristotle, tác động của một lực không đổi là cần thiết để làm cho một thứ gì đó chuyển động với tốc độ không đổi, nhưng điều xảy ra là nhà triết học này không có tác động của lực ma sát.

Một ý tưởng khác của ông là vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ hơn. Chính Galileo Galilei vĩ đại (1564-1642) đã chứng minh qua các thí nghiệm rằng tất cả các vật thể đều rơi với cùng một gia tốc bất kể khối lượng của chúng, bỏ qua các hiệu ứng nhớt.

Nhưng đó là Isaac Newton (1642-1727), nhà khoa học đáng chú ý nhất từng sống, người được coi là cha đẻ của động lực học hiện đại và phép tính toán học, cùng với Gottfried Leibniz.

Hình 2. Isaac Newton năm 1682 bởi Godfrey Kneller. Nguồn: Wikimedia Commons.

Các luật nổi tiếng của nó, được xây dựng trong thế kỷ 17, vẫn còn giá trị và mới cho đến ngày nay. Chúng là nền tảng của cơ học cổ điển, mà chúng ta thấy và ảnh hưởng đến chúng ta hàng ngày. Những luật này sẽ được thảo luận ngay sau đây.

Động lực học nghiên cứu những gì?

Động lực học nghiên cứu sự tương tác giữa các đối tượng. Khi các vật tương tác sẽ có những thay đổi trong chuyển động và biến dạng của chúng. Một khu vực cụ thể được gọi là tĩnh được dành riêng cho những hệ thống ở trạng thái cân bằng, những hệ thống đang ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động thẳng đều.

Áp dụng các nguyên lý của động lực học, người ta có thể dự đoán bằng các phương trình, những thay đổi và sự tiến hóa của các vật thể theo thời gian. Để làm được điều này, một số giả định được thiết lập tùy thuộc vào loại hệ thống được nghiên cứu.

Hạt, chất rắn cứng và môi trường liên tục

Mô hình hạt là mô hình đơn giản nhất để bắt đầu áp dụng các nguyên tắc của động lực học. Trong đó giả thiết rằng vật thể được nghiên cứu có khối lượng, nhưng không có kích thước. Do đó một hạt có thể nhỏ bằng electron hoặc lớn bằng Trái đất hoặc Mặt trời.

Khi muốn quan sát ảnh hưởng của kích thước đến động lực học, cần quan tâm đến kích thước và hình dạng của vật thể. Một mô hình có tính đến điều này là mô hình của vật rắn cứng, một vật có kích thước đo được được tạo thành từ rất nhiều hạt, nhưng không biến dạng dưới tác dụng của lực.

Cuối cùng, cơ học của phương tiện liên tục không chỉ tính đến các kích thước của vật thể mà còn tính đến các đặc tính cụ thể của nó, bao gồm cả khả năng biến dạng của nó. Môi trường liên tục bao gồm chất rắn cứng và không cứng, cũng như chất lỏng.

Định luật Newton

Chìa khóa để hiểu cách động lực học hoạt động là sự hiểu biết thấu đáo về các định luật Newton, định luật này liên kết một cách định lượng các lực tác động lên một vật thể với những thay đổi trong trạng thái chuyển động hoặc nghỉ ngơi của nó.

Định luật đầu tiên của Newton

Giải thích định luật đầu tiên của Newton. Nguồn: tự làm.

Nói vậy:

Phần đầu tiên của câu lệnh có vẻ khá rõ ràng, vì rõ ràng là một đối tượng ở trạng thái nghỉ sẽ giữ nguyên như vậy, trừ khi nó bị xáo trộn. Và đối với điều này, một lực lượng là cần thiết.

Mặt khác, thực tế là một vật thể tiếp tục chuyển động ngay cả khi lực thuần lên nó bằng không thì khó chấp nhận hơn một chút, vì có vẻ như một vật thể có thể chuyển động vô thời hạn. Và kinh nghiệm hàng ngày cho chúng ta biết rằng sớm muộn gì mọi thứ cũng chậm lại.

Câu trả lời cho sự mâu thuẫn rõ ràng này là do xích mích. Thật vậy, nếu một vật thể chuyển động trên một bề mặt hoàn toàn nhẵn, nó có thể làm như vậy vô thời hạn, giả sử rằng không có lực nào khác làm cho chuyển động thay đổi.

Vì không thể loại bỏ hoàn toàn lực ma sát, tình huống trong đó một cơ thể chuyển động vô định với tốc độ không đổi là một lý tưởng hóa.

Cuối cùng, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù lực thuần bằng 0, điều này không nhất thiết thể hiện sự vắng mặt toàn bộ của các lực lên vật thể.

Các vật thể trên bề mặt trái đất luôn chịu lực hấp dẫn. Sách nằm trên bàn vẫn giữ nguyên như vậy vì bề mặt của bàn tác dụng một lực cản lại trọng lượng.

Định luật thứ hai của Newton

Giải thích định luật II Newton. Nguồn: tự làm.

Định luật đầu tiên của Newton thiết lập những gì xảy ra với một vật thể mà lực thuần hoặc lực kết quả bằng không. Bây giờ định luật cơ bản của động lực học hoặc định luật thứ hai của Newton chỉ ra điều gì sẽ xảy ra khi lực thuần không hủy bỏ:

Trong tác dụng, một lực tác dụng càng lớn thì sự thay đổi vận tốc của vật càng lớn. Và nếu cùng một lực tác dụng lên các vật có khối lượng khác nhau, thì vật nhẹ hơn và dễ chuyển động sẽ có những thay đổi lớn nhất. Kinh nghiệm hàng ngày đồng ý với những tuyên bố này.

Định luật thứ ba của Newton

Một tên lửa vũ trụ nhận được lực đẩy cần thiết nhờ các khí được đẩy ra. Nguồn: Pixabay.

Hai định luật đầu tiên của Newton đề cập đến một đối tượng duy nhất. Nhưng luật thứ ba đề cập đến hai đối tượng. Chúng tôi sẽ đặt tên cho chúng là đối tượng 1 và đối tượng 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Trên thực tế, bất cứ khi nào một cơ thể bị tác động bởi một lực, thì đó là do người khác chịu trách nhiệm gây ra nó. Vì vậy, các vật thể trên Trái đất có trọng lượng, bởi vì nó hút chúng về phía trung tâm của nó. Một điện tích bị đẩy bởi một điện tích khác cùng dấu, vì nó tác dụng lực đẩy lên vật thứ nhất, v.v.

Hình 3. Tóm tắt các định luật Newton. Nguồn: Wikimedia Commons. 4914.

Nguyên tắc bảo tồn

Trong động lực học có một số đại lượng được bảo toàn trong quá trình chuyển động và việc nghiên cứu chúng là cần thiết. Chúng giống như một cột vững chắc mà người ta có thể gắn vào để giải các bài toán trong đó các lực tác động theo những cách rất phức tạp.

Một ví dụ: ngay khi hai phương tiện va chạm, tương tác giữa chúng rất mãnh liệt nhưng ngắn ngủi. Cường độ cao đến mức không cần tính đến lực lượng khác, do đó các phương tiện có thể được coi là một hệ thống cô lập.

Nhưng mô tả sự tương tác mãnh liệt này không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, vì nó liên quan đến các lực thay đổi theo thời gian và cả trong không gian. Tuy nhiên, bằng cách giả định rằng các phương tiện tạo thành một hệ thống cô lập, các lực giữa chúng là bên trong và động lượng được bảo toàn.

Bằng cách bảo toàn động lượng, có thể dự đoán các phương tiện sẽ chuyển động như thế nào ngay sau khi va chạm.

Dưới đây là hai trong số các nguyên tắc bảo toàn quan trọng nhất trong Động lực học:

Bảo tồn năng lượng

Trong tự nhiên có hai loại lực lượng: lực lượng bảo thủ và lực lượng không bảo thủ. Trọng lượng là một ví dụ điển hình cho cái trước, trong khi ma sát là một ví dụ điển hình cho cái sau.

Vâng, các lực lượng bảo thủ được đặc trưng bởi vì chúng cung cấp khả năng tích trữ năng lượng trong cấu hình của hệ thống. Đó là cái gọi là thế năng.

Khi một vật có thế năng nhờ tác dụng của một lực bảo toàn như trọng lượng và chuyển động, thế năng này được chuyển thành động năng. Tổng của cả hai năng lượng được gọi là năng lượng cơ học của hệ và là năng lượng được bảo toàn, tức là nó không đổi.

Gọi U là thế năng, K là động năng và E _m là cơ năng. Nếu chỉ có các lực bảo toàn tác động lên một đối tượng thì đúng là:

Như vậy:

Bảo toàn động lượng

Nguyên tắc này không chỉ được áp dụng khi hai xe va chạm. Đó là một định luật vật lý có phạm vi vượt ra ngoài thế giới vĩ mô.

Động lượng được bảo toàn ở cấp độ của các hệ mặt trời, sao và thiên hà. Và nó cũng làm được điều đó ở quy mô nguyên tử và hạt nhân nguyên tử, mặc dù thực tế là cơ học Newton không còn giá trị ở đó.

Gọi P là vectơ động lượng được cho bởi:

P = m. v

Tính P theo thời gian:

Nếu khối lượng không đổi:

Do đó, chúng ta có thể viết định luật thứ hai của Newton như sau:

F _ròng = d P / dt

Nếu hai vật m ₁ và m ₂ tạo thành một hệ cô lập thì lực giữa chúng là nội lực và theo định luật 3 Newton, chúng bằng nhau và ngược chiều F ₁ = - F ₂ , thỏa mãn điều đó:

Nếu đạo hàm theo thời gian có độ lớn bằng 0, có nghĩa là độ lớn không đổi. Do đó, trong một hệ cô lập, có thể nói rằng động lượng của hệ được bảo toàn:

P ₁ + P ₂ = hằng số

Mặc dù vậy, P ₁ và P ₂ có thể thay đổi riêng lẻ. Động lượng của một hệ thống có thể được phân phối lại, nhưng điều quan trọng là tổng của nó không thay đổi.

Các khái niệm nổi bật trong động lực học

Có nhiều khái niệm quan trọng trong động lực học, nhưng hai trong số chúng nổi bật: khối lượng và lực. Về lực đã được bình luận trước đó và bên dưới có một danh sách với các khái niệm nổi bật nhất xuất hiện bên cạnh nó trong nghiên cứu động lực học:

Quán tính

Nó là đặc tính mà các đối tượng có để chống lại những thay đổi trong trạng thái nghỉ ngơi hoặc chuyển động của chúng. Tất cả các vật thể có khối lượng đều có quán tính và điều này xảy ra rất thường xuyên, ví dụ như khi đi trên xe ô tô đang tăng tốc, hành khách có xu hướng đứng yên, được coi là cảm giác dính vào lưng ghế.

Và nếu xe dừng đột ngột, hành khách có xu hướng lăn qua, theo chuyển động về phía trước mà họ đã có, vì vậy điều quan trọng là phải luôn thắt dây an toàn.

Hình 4. Khi đi ô tô, quán tính làm cho chúng ta bị va chạm khi ô tô phanh gấp. Nguồn: Pixabay.

Khối lượng

Khối lượng là đơn vị đo quán tính, vì khối lượng của một vật càng lớn thì càng khó di chuyển hoặc khiến nó thay đổi chuyển động. Khối lượng là một đại lượng vô hướng, điều này có nghĩa là để xác định khối lượng của một vật, cần phải cung cấp giá trị số cộng với đơn vị đã chọn, có thể là kilôgam, pound, gam và hơn thế nữa.

Cân nặng

Trọng lượng là lực mà Trái đất kéo các vật thể gần bề mặt về phía trung tâm của nó.

Bởi vì nó là một lực, trọng lượng có một ký tự vectơ, do đó nó hoàn toàn được xác định khi độ lớn hoặc giá trị số, hướng và giác của nó được chỉ ra, mà chúng ta đã biết là theo phương thẳng đứng hướng xuống.

Vì vậy, mặc dù có liên quan, trọng lượng và khối lượng không bằng nhau, thậm chí không tương đương, vì thứ nhất là một vectơ và thứ hai là vô hướng.

Hệ quy chiếu

Mô tả của một chuyển động có thể khác nhau tùy thuộc vào tài liệu tham khảo đã chọn. Những người đang đi lên trong thang máy đang ở trạng thái nghỉ theo một hệ quy chiếu cố định với nó, nhưng người quan sát trên mặt đất nhìn thấy hành khách đang chuyển động.

Nếu một vật thể trải qua chuyển động quanh một hệ quy chiếu này nhưng lại chuyển động trong một hệ quy chiếu khác, thì các định luật Newton không thể áp dụng cho cả hai. Trên thực tế, các định luật Newton có thể áp dụng cho một số hệ quy chiếu nhất định: hệ quy chiếu quán tính.

Trong hệ quy chiếu quán tính, các vật thể không tăng tốc trừ khi chúng bị xáo trộn theo một cách nào đó - bằng cách tác dụng một lực.

Lực lượng hư cấu

Các lực hư cấu hoặc lực giả xuất hiện khi phân tích chuyển động của một vật trong hệ quy chiếu có gia tốc. Một lực lượng hư cấu được phân biệt bởi vì không thể xác định được tác nhân chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện của nó.

Lực ly tâm là một ví dụ điển hình về lực hư cấu. Tuy nhiên, thực tế không làm cho những ai trải nghiệm cảm thấy như thật khi quay đầu xe và cảm thấy có bàn tay vô hình đang đẩy mình ra khỏi khúc cua.

Sự tăng tốc

Vectơ quan trọng này đã được đề cập trước đây. Một vật chịu gia tốc miễn là có một lực làm thay đổi tốc độ của nó.

Làm việc và năng lượng

Khi một lực tác dụng lên một vật và nó thay đổi vị trí của nó thì lực đó đã thực hiện công. Và công việc này có thể được lưu trữ dưới dạng năng lượng. Do đó, công được thực hiện trên vật thể, nhờ đó nó thu được năng lượng.

Ví dụ sau đây rõ ràng hơn: Giả sử một người nâng một cái chậu lên một độ cao nhất định so với mặt đất.

Muốn vậy, nó phải tác dụng một lực và thắng trọng lực, do đó nó tác dụng lên chậu và công này được lưu trữ dưới dạng thế năng hấp dẫn trong chậu, tỷ lệ với khối lượng của nó và độ cao mà nó đạt được so với mặt sàn. :

Trong đó m là khối lượng, g là trọng lực và h là chiều cao. Cái nồi có thể làm được gì khi nó ở độ cao h? Chà, nó có thể rơi và khi rơi xuống, thế năng hấp dẫn của nó giảm đi, trong khi động năng hoặc chuyển động tăng lên.

Đối với một lực để thực hiện công việc, nó phải tạo ra một dịch chuyển phải song song với lực. Nếu điều này không xảy ra, lực vẫn tác dụng lên vật thể, nhưng không tác dụng lên vật đó.

Chủ đề liên quan

Định luật đầu tiên của Newton.

Định luật II Newton.

Định luật thứ ba của Newton.

Định luật bảo toàn vật chất.

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 2. Động lực học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. 6 .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Khoa học Vật lý Khái niệm. ngày 5. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
6. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
7. Wikipedia. Động. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.