ĐỊNH LUẬT ĐẦU TIÊN CỦA NEWTON: CÔNG THỨC, THÍ NGHIỆM VÀ BÀI TẬP - VẬT LÝ - 2025

Định luật đầu tiên của Newton , còn được gọi là định luật quán tính, lần đầu tiên được đề xuất bởi Isaac Newton, nhà vật lý, toán học, triết học, thần học, nhà phát minh và nhà giả kim người Anh. Định luật này phát biểu như sau: "Nếu một vật không chịu bất kỳ lực nào hoặc nếu các lực tác dụng lên vật đó triệt tiêu lẫn nhau, thì vật đó sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi trên một đường thẳng."

Trong câu lệnh này, từ khóa là sẽ tiếp tục. Nếu các tiền đề của định luật được thỏa mãn, thì vật thể sẽ tiếp tục chuyển động như nó đã có. Trừ khi xuất hiện lực không cân bằng và làm thay đổi trạng thái chuyển động.

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

Điều này có nghĩa là nếu vật thể ở trạng thái nghỉ, nó sẽ tiếp tục nghỉ ngơi, ngoại trừ trường hợp một lực đẩy nó ra khỏi trạng thái đó. Điều đó cũng có nghĩa là nếu một vật đang chuyển động với vận tốc cố định theo phương thẳng thì nó sẽ tiếp tục chuyển động theo hướng đó. Nó sẽ chỉ thay đổi khi có tác nhân bên ngoài nào đó tác động vào nó và làm thay đổi tốc độ của nó.

Bối cảnh của luật

Isaac Newton sinh tại Woolsthorpe Manor (Vương quốc Anh) vào ngày 4 tháng 1 năm 1643 và mất tại London năm 1727.

Ngày chính xác mà Ngài Isaac Newton phát hiện ra ba định luật động lực học của mình, bao gồm cả định luật đầu tiên, vẫn chưa được biết một cách chắc chắn. Nhưng người ta biết rằng rất lâu trước khi xuất bản cuốn sách nổi tiếng Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên, vào ngày 5 tháng 7 năm 1687.

Từ điển của Học viện Hoàng gia Tây Ban Nha định nghĩa từ quán tính như sau:

"Thuộc tính của cơ thể để duy trì trạng thái nghỉ ngơi hoặc chuyển động của chúng nếu không phải do tác động của lực."

Thuật ngữ này cũng được sử dụng để khẳng định rằng mọi tình huống vẫn không thay đổi vì không có nỗ lực nào được thực hiện để đạt được nó, do đó đôi khi từ quán tính có hàm ý chỉ thói quen hoặc sự lười biếng.

Quan điểm tiền Newton

Trước Newton, những ý tưởng chủ yếu là của nhà triết học Hy Lạp vĩ đại Aristotle, người đã khẳng định rằng để một vật thể tiếp tục chuyển động thì phải có một lực tác động lên nó. Khi lực không còn nữa thì chuyển động cũng vậy. Không phải vậy, nhưng thậm chí ngày nay nhiều người nghĩ như vậy.

Galileo Galilei, một nhà thiên văn học và nhà vật lý học xuất sắc người Ý sống từ năm 1564 đến năm 1642, đã thử nghiệm và phân tích chuyển động của các thiên thể.

Một trong những quan sát của Galileo là một vật thể trượt trên một bề mặt nhẵn và bóng với một xung lực ban đầu nhất định, sẽ mất nhiều thời gian hơn để dừng lại và di chuyển theo đường thẳng nhiều hơn, do ma sát giữa vật thể và bề mặt ít hơn.

Rõ ràng là Galileo đã xử lý ý tưởng về quán tính, nhưng ông đã không đưa ra một tuyên bố chính xác như Newton.

Dưới đây, chúng tôi đề xuất một số thí nghiệm đơn giản mà người đọc có thể thực hiện và chứng thực kết quả. Các quan sát cũng sẽ được phân tích theo quan điểm của Aristotle về chuyển động và quan điểm của Newton.

Thí nghiệm quán tính

Thí nghiệm 1

Một hộp được đẩy lên sàn và sau đó lực truyền động được treo. Chúng tôi quan sát thấy rằng hộp đi một đoạn đường ngắn cho đến khi nó dừng lại.

Chúng ta hãy giải thích thí nghiệm trước đó và kết quả của nó, trong khuôn khổ của các lý thuyết trước Newton và sau đó theo định luật thứ nhất.

Trong tầm nhìn của Aristotle, lời giải thích rất rõ ràng: chiếc hộp dừng lại vì lực di chuyển nó bị đình chỉ.

Theo quan điểm Newton, hộp trên sàn / mặt đất không thể tiếp tục chuyển động với tốc độ của nó tại thời điểm lực bị đình chỉ, vì giữa sàn và hộp có một lực không cân bằng, làm cho tốc độ giảm cho đến khi hộp dừng lại. Đó là lực ma sát.

Trong thí nghiệm này, các tiền đề của định luật Newton thứ nhất không được đáp ứng, vì vậy chiếc hộp dừng lại.

Thí nghiệm 2

Một lần nữa nó là hộp trên sàn / mặt đất. Trong cơ hội này, lực tác dụng lên hộp được duy trì, sao cho nó bù hoặc cân bằng lực ma sát. Điều này xảy ra khi chúng ta đưa hộp quay theo với tốc độ không đổi và theo hướng thẳng.

Thí nghiệm này không mâu thuẫn với quan điểm của Aristotle về chuyển động: chiếc hộp chuyển động với tốc độ không đổi do một lực tác dụng lên nó.

Nó cũng không mâu thuẫn với cách tiếp cận của Newton, vì tất cả các lực tác dụng lên hộp đều cân bằng. Hãy xem nào:

• Theo phương ngang, lực tác dụng lên hộp bằng và ngược chiều với lực ma sát giữa hộp và sàn.
• Vì vậy, lực thuần theo phương ngang bằng không, đó là lý do tại sao hộp duy trì tốc độ và hướng của nó.

Cũng theo phương thẳng đứng, các lực cân bằng vì trọng lượng của hộp là lực hướng thẳng đứng xuống dưới được bù chính xác bởi lực tiếp xúc (hoặc pháp tuyến) mà mặt đất tác dụng lên hộp theo phương thẳng đứng hướng lên.

Nhân tiện, trọng lượng của hộp là do lực hút của Trái đất.

Thí nghiệm 3

Chúng tôi tiếp tục với chiếc hộp nằm trên sàn. Theo phương thẳng đứng, các lực cân bằng, nghĩa là lực thẳng đứng thuần bằng không. Chắc chắn sẽ rất ngạc nhiên nếu hộp di chuyển lên trên. Nhưng theo phương ngang có lực ma sát.

Bây giờ, để tiền đề của định luật đầu tiên của Newton được hoàn thành, chúng ta cần giảm ma sát đến biểu thức nhỏ nhất của nó. Điều này có thể đạt được tương đối gần nếu chúng ta tìm kiếm một bề mặt thật mịn để chúng ta phun dầu silicon.

Vì dầu silicon làm giảm ma sát gần như bằng không, nên khi ném hộp này theo phương ngang, nó sẽ duy trì tốc độ và hướng của nó trong một thời gian dài.

Đó là hiện tượng tương tự xảy ra với một vận động viên trượt băng trên sân băng, hoặc với quả bóng khúc côn cầu trên băng khi họ được đẩy và thả ra.

Trong các tình huống được mô tả, trong đó ma sát giảm gần như bằng không, lực kết quả thực tế bằng không và vật thể duy trì tốc độ, theo định luật đầu tiên của Newton.

Theo quan điểm của Aristotle, điều này không thể xảy ra, bởi vì theo lý thuyết ngây thơ này, chuyển động chỉ xảy ra khi có một lực thuần lên vật thể chuyển động.

Bề mặt đóng băng có thể được coi là ma sát rất thấp. Nguồn: Pixabay.

Giải thích định luật đầu tiên của Newton

Quán tính và khối lượng

Khối lượng là đại lượng vật lý cho biết khối lượng vật chất mà cơ thể hoặc vật thể chứa đựng.

Khi đó, khối lượng là một thuộc tính nội tại của vật chất. Nhưng vật chất được tạo thành từ các nguyên tử, có khối lượng. Khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Chính các proton và neutron trong hạt nhân thực tế xác định khối lượng của nguyên tử và vật chất.

Khối lượng thường được đo bằng kilogam (kg), nó là đơn vị cơ bản của Hệ đơn vị quốc tế (SI).

Nguyên mẫu hoặc tham chiếu của kg là một hình trụ bằng bạch kim và iridi được lưu giữ tại Văn phòng Cân nặng và Đo lường Quốc tế ở Sèvres ở Pháp, mặc dù vào năm 2018, nó được liên kết với hằng số Planck và định nghĩa mới có hiệu lực kể từ Ngày 20 tháng 5 năm 2019.

Vâng, nó xảy ra rằng quán tính và khối lượng có liên quan với nhau. Vật có khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn. Việc thay đổi trạng thái chuyển động của một vật có khối lượng lớn hơn là một vật có khối lượng nhỏ hơn sẽ khó hơn hoặc tốn kém hơn nhiều về mặt năng lượng.

Thí dụ

Ví dụ, cần nhiều lực hơn và tốn nhiều công hơn để nâng một hộp một tấn (1000 kg) khỏi trạng thái nghỉ ngơi hơn một hộp một kg (1 kg). Đó là lý do tại sao người ta thường nói rằng cái thứ nhất có nhiều quán tính hơn cái thứ hai.

Do mối quan hệ giữa quán tính và khối lượng, Newton nhận ra rằng vận tốc không phải là đại diện cho trạng thái chuyển động. Đó là lý do tại sao ông định nghĩa một đại lượng được gọi là động lượng hoặc động lượng được ký hiệu bằng chữ p và là tích của khối lượng m và vận tốc v :

p = m v

Phần in đậm trong p và v cho biết chúng là các đại lượng vật lý vectơ, tức là chúng là các đại lượng có độ lớn, hướng và giác.

Mặt khác, khối lượng m là một đại lượng vô hướng, trong đó một số được gán có thể lớn hơn hoặc bằng 0, nhưng không bao giờ âm. Cho đến nay không có vật thể nào có khối lượng âm được tìm thấy trong vũ trụ đã biết.

Newton đã đưa trí tưởng tượng và sự trừu tượng của mình lên đến cực điểm, định nghĩa cái gọi là hạt tự do. Một hạt là một điểm vật chất. Đó là, nó giống như một điểm toán học nhưng có khối lượng:

Hạt tự do là hạt bị cô lập, cách xa một vật thể khác trong vũ trụ đến nỗi không có gì có thể tác động lực hoặc tương tác lên nó.

Sau đó, Newton tiếp tục định nghĩa các hệ quy chiếu quán tính, đó sẽ là những hệ quy chiếu áp dụng ba định luật chuyển động của ông. Dưới đây là các định nghĩa theo các khái niệm này:

Hệ quy chiếu quán tính

Bất kỳ hệ tọa độ nào gắn với hạt tự do, hoặc chuyển động với tốc độ không đổi so với hạt tự do, sẽ là hệ quy chiếu quán tính.

Định luật đầu tiên của Newton (định luật quán tính)

Nếu một hạt tự do thì nó có động lượng không đổi so với hệ quy chiếu quán tính.

Định luật và động lượng đầu tiên của Newton. Nguồn: tự làm.

Bài tập đã giải

Bài tập 1

Một quả bóng khúc côn cầu nặng 160 gram đi trên sân băng với vận tốc 3 km / h. Tìm động lượng của nó.

Giải pháp

Khối lượng của đĩa tính bằng ki-lô-gam là: m = 0,160 kg.

Vận tốc tính bằng mét trong giây: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Lượng chuyển động hoặc động lượng p được tính như sau: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Bài tập 2

Ma sát trong đĩa trước được coi là bằng không, do đó động lượng được bảo toàn miễn là không có gì làm thay đổi chuyển động thẳng của đĩa. Tuy nhiên, người ta biết rằng có hai lực tác dụng lên đĩa: trọng lượng của đĩa và lực tiếp xúc hoặc pháp tuyến mà sàn tác dụng lên nó.

Tính giá trị của lực pháp tuyến theo Newton và hướng của nó.

Giải pháp

Vì động lượng được bảo toàn nên lực tác dụng lên quả bóng khúc côn cầu phải bằng không. Quả nặng hướng thẳng đứng xuống dưới có giá trị: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Lực pháp tuyến nhất thiết phải có tác dụng ngược với trọng lượng nên nó phải hướng thẳng đứng lên trên và độ lớn của nó là 1,57 N.

Các bài báo quan tâm

Ví dụ về định luật Newton trong cuộc sống thực.

Người giới thiệu

1. Alonso M., Finn E. Vật lý tập I: Cơ học. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Khoa học vật lý khái niệm. Phiên bản thứ năm. Lề. 67-74.
3. Còn trẻ, Hugh. Vật lý đại học với Vật lý hiện đại. 14 Ed. Pearson. 105-107.