ĐỊNH LUẬT THỨ BA CỦA NEWTON: ỨNG DỤNG, THÍ NGHIỆM VÀ BÀI TẬP - VẬT LÝ - 2026

Định luật thứ ba của Newton , còn được gọi là định luật hành động và phản lực phát biểu rằng khi một vật tác dụng lực lên vật khác, thì vật sau cũng tác dụng lên vật đầu tiên một lực có độ lớn và phương bằng nhau và ngược lại.

Isaac Newton đã đưa ra ba định luật của mình vào năm 1686 trong cuốn sách Philosophiae Naturalis Principia Mathematica hoặc Các nguyên tắc toán học của triết học tự nhiên.

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

Giải thích và công thức

Công thức toán học của Định luật thứ ba của Newton rất đơn giản:

F ₁₂ = - F ₂₁

Một trong những lực được gọi là hành động và lực kia là phản lực. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh tầm quan trọng của chi tiết này: cả hai đều tác động lên các đối tượng khác nhau. Họ cũng làm điều đó đồng thời, mặc dù thuật ngữ này gợi ý không chính xác rằng hành động xảy ra trước và phản ứng sau.

Vì lực là vectơ nên chúng được ký hiệu bằng chữ in đậm. Phương trình này chỉ ra rằng ta có hai vật: vật 1 và vật 2. Lực F ₁₂ là lực do vật 1 tác dụng lên vật 2. Lực F ₂₁ do vật 2 tác dụng lên vật 1. Và dấu (-) cho biết chúng ngược nhau.

Quan sát kỹ lưỡng định luật thứ ba của Newton cho thấy một điểm khác biệt quan trọng với hai định luật đầu tiên: trong khi chúng gọi một đối tượng duy nhất, định luật thứ ba đề cập đến hai đối tượng khác nhau.

Và đó là nếu bạn suy nghĩ cẩn thận, các tương tác đòi hỏi các cặp đối tượng.

Đó là lý do tại sao lực tác dụng và phản lực không triệt tiêu lẫn nhau hoặc cân bằng, mặc dù chúng có cùng độ lớn và hướng nhưng ngược chiều: chúng tác dụng lên các vật khác nhau.

Các ứng dụng

Tương tác bóng - mặt đất

Đây là một ứng dụng hàng ngày của một tương tác liên quan đến Định luật thứ ba của Newton: một quả cầu rơi thẳng đứng và Trái đất. Quả bóng rơi xuống đất do Trái đất tác dụng một lực hấp dẫn, được gọi là lực hấp dẫn. Lực này làm cho quả cầu rơi xuống với gia tốc không đổi 9,8 m / s ² .

Tuy nhiên, hiếm ai nghĩ đến việc quả bóng cũng tác dụng một lực hấp dẫn lên Trái đất. Tất nhiên trái đất vẫn không thay đổi, vì khối lượng của nó lớn hơn nhiều so với quả bóng và do đó chịu một gia tốc không đáng kể.

Một điểm đáng chú ý khác về định luật thứ ba của Newton là sự tiếp xúc giữa hai đối tượng tương tác là không cần thiết. Có thể thấy rõ từ ví dụ vừa trích dẫn: quả bóng vẫn chưa tiếp xúc với Trái đất, nhưng nó vẫn tạo ra lực hút của nó. Và cả quả bóng trên Trái đất nữa.

Một lực như lực hấp dẫn, tác động không rõ ràng cho dù có tiếp xúc giữa các vật thể hay không, được gọi là "lực tác dụng ở khoảng cách xa". Mặt khác, các lực như ma sát và pháp tuyến đòi hỏi các vật thể tương tác phải tiếp xúc, đó là lý do tại sao chúng được gọi là "lực tiếp xúc".

Công thức lấy từ ví dụ

Quay trở lại cặp vật thể quả cầu - Trái đất, chọn các chỉ số P cho quả cầu và T cho trái đất và áp dụng định luật II Newton cho mỗi người tham gia trong hệ thống này, chúng ta thu được:

_{Kết quả} F = m. đến

Luật thứ ba tuyên bố rằng:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² hướng thẳng đứng xuống dưới. Vì chuyển động này xảy ra dọc theo hướng thẳng đứng, ký hiệu vectơ (in đậm) có thể được phân bổ; và chọn hướng đi lên là dương và hướng xuống là tiêu cực, chúng ta có:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Không phụ thuộc vào khối lượng của quả cầu, gia tốc của Trái đất bằng không. Đó là lý do tại sao người ta quan sát thấy quả cầu rơi về phía Trái đất chứ không phải ngược lại.

Hoạt động của một tên lửa

Tên lửa là một ví dụ điển hình về việc áp dụng định luật thứ ba của Newton. Tên lửa thể hiện trong hình ảnh lúc đầu bay lên nhờ sức đẩy của khí nóng ở tốc độ cao.

Nhiều người tin rằng điều này xảy ra là do những khí này bằng cách nào đó "dựa" vào bầu khí quyển hoặc mặt đất để hỗ trợ và đẩy tên lửa. Nó không hoạt động như vậy.

Giống như tên lửa tác dụng lực lên các chất khí và đẩy chúng ra phía sau, các chất khí tác dụng lực lên tên lửa, có cùng môđun, nhưng ngược hướng. Lực này là tác nhân tạo ra gia tốc hướng lên của tên lửa.

Nếu bạn không có một tên lửa như vậy trong tay, có nhiều cách khác để kiểm tra xem Định luật thứ ba của Newton có hoạt động để cung cấp lực đẩy hay không. Tên lửa nước có thể được chế tạo, trong đó lực đẩy cần thiết được cung cấp bởi nước được đẩy ra ngoài bằng khí dưới áp suất.

Cần lưu ý rằng việc phóng tên lửa nước cần có thời gian và cần nhiều biện pháp phòng ngừa.

Sử dụng giày trượt

Một cách hợp lý hơn và ngay lập tức để kiểm tra tác dụng của Định luật thứ ba của Newton là đi một đôi giày trượt và đẩy mình vào tường.

Phần lớn thời gian khả năng tác dụng lực liên quan đến các vật thể chuyển động, nhưng sự thật là các vật thể bất động cũng có thể tác dụng lực. Người trượt băng bị đẩy lùi về phía sau nhờ lực mà bức tường bất động tác dụng lên anh ta.

Các bề mặt tiếp xúc tác dụng lực tiếp xúc (bình thường) với nhau. Khi một cuốn sách nằm trên mặt bàn nằm ngang, nó tác dụng một lực thẳng đứng lên nó. Sách tác dụng lên bàn một lực thẳng đứng cùng trị số và ngược chiều.

Thử nghiệm cho trẻ em: trượt ván

Trẻ em và người lớn có thể dễ dàng trải nghiệm định luật thứ ba của Newton và xác minh rằng các lực hành động và phản ứng không triệt tiêu và có khả năng cung cấp các chuyển động.

Hai vận động viên trượt băng trên băng hoặc trên một bề mặt nhẵn có thể đẩy nhau và chuyển động theo hướng ngược lại, cho dù chúng có cùng khối lượng hay không, nhờ vào quy luật hành động và phản ứng.

Hãy xem xét hai vận động viên trượt băng với khối lượng khá khác nhau. Chúng ở giữa một sân băng với ma sát không đáng kể và lúc đầu đang đứng yên. Tại một thời điểm nhất định, họ đẩy nhau bằng cách dùng lòng bàn tay tác dụng lực liên tục. Cả hai sẽ di chuyển như thế nào?

Hai vận động viên trượt băng đẩy nhau ở giữa sân băng. Nguồn: Benjamin Crowell (người dùng Wikipedia bcrowell)

Điều quan trọng cần lưu ý là vì nó là một bề mặt không có ma sát, các lực không cân bằng duy nhất là lực mà các vận động viên trượt băng tác dụng lên nhau. Mặc dù trọng lượng và lực tác động bình thường lên cả hai, các lực này cân bằng, nếu không vận động viên trượt băng sẽ tăng tốc theo phương thẳng đứng.

Công thức được áp dụng trong ví dụ này

Định luật thứ ba của Newton phát biểu rằng:

F ₁₂ = - F ₂₁

Tức là, lực tác dụng của vận động viên trượt băng 1 trên 2 có độ lớn bằng lực do vận động viên 2 trên 1 tác dụng, có cùng phương và ngược chiều. Lưu ý rằng các lực này được tác dụng lên các vật thể khác nhau, giống như cách các lực tác dụng lên quả bóng và Trái đất trong ví dụ khái niệm trước đó.

m ₁ đến ₁ = -m ₂ đến ₂

Vì các lực trái ngược nhau nên gia tốc mà chúng gây ra cũng sẽ ngược lại, nhưng độ lớn của chúng sẽ khác nhau, vì mỗi vận động viên trượt băng có khối lượng khác nhau. Hãy xem gia tốc mà vận động viên trượt băng đầu tiên có được:

Vì vậy, chuyển động xảy ra tiếp theo là sự tách biệt của cả hai vận động viên trượt băng theo hướng ngược nhau. Về nguyên tắc, các vận động viên trượt băng đã nghỉ ngơi ở giữa đường đua. Mỗi bên tác động một lực lên bên kia để tạo ra gia tốc miễn là hai tay tiếp xúc và lực đẩy kéo dài.

Sau đó, các vận động viên trượt băng di chuyển ra xa nhau với chuyển động thẳng đều, vì các lực không cân bằng không còn tác dụng. Tốc độ của mỗi vận động viên trượt băng sẽ khác nhau nếu khối lượng của họ cũng vậy.

Bài tập đã giải quyết

Để giải các bài toán trong đó phải áp dụng các định luật Newton, cần cẩn thận vẽ các lực tác dụng lên vật. Bản vẽ này được gọi là "sơ đồ cơ thể tự do" hoặc "sơ đồ cơ thể cô lập". Các lực do cơ thể tác dụng lên các vật thể khác không được thể hiện trong biểu đồ này.

Nếu có nhiều hơn một đối tượng tham gia vào bài toán, cần vẽ sơ đồ vật thể tự do cho mỗi vật thể, nhớ rằng các cặp phản ứng - phản ứng tác dụng lên các vật thể khác nhau.

a) Gia tốc mà mỗi vận động viên trượt băng có được nhờ lực đẩy.

b) Tốc độ của mỗi cái khi chúng tách ra

Giải pháp

a) Lấy chiều dương nằm ngang từ trái sang phải. Áp dụng định luật thứ hai của Newton với các giá trị được cung cấp bởi câu lệnh, chúng ta có:

F ₂₁ = m ₁ đến ₁

Từ đâu:

Đối với vận động viên trượt băng thứ hai:

b) Phương trình động học của chuyển động thẳng biến đổi đều có gia tốc được dùng để tính vận tốc mà chúng mang theo khi chúng tách ra:

Vận tốc ban đầu là 0, vì chúng đã dừng lại ở giữa đường:

v _f = lúc

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0,40 s = -1,6 m / s

v _f2 = a ₂ t = +2,5 m / s ² . 0,40 s = +1 m / s

Các kết quả

Như dự đoán, người 1 nhẹ hơn sẽ có gia tốc lớn hơn và do đó tốc độ lớn hơn. Bây giờ hãy lưu ý những điều sau về tích khối lượng và tốc độ của mỗi vận động viên trượt băng:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Tổng của cả hai tích bằng 0. Tích của khối lượng và tốc độ được gọi là động lượng P. Nó là một vectơ cùng phương và cùng phương với tốc độ. Khi các vận động viên trượt băng ở trạng thái nghỉ ngơi và tay của họ tiếp xúc với nhau, có thể giả định rằng họ tạo thành cùng một vật thể có động lượng là:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Sau khi đẩy xong, lượng chuyển động của hệ trượt còn lại 0. Do đó lượng chuyển động được bảo toàn.

Ví dụ về định luật thứ ba của Newton trong cuộc sống hàng ngày

Đi bộ

Đi bộ là một trong những hành động hàng ngày có thể được thực hiện. Nếu quan sát kỹ, hành động đi bộ đòi hỏi phải đẩy bàn chân xuống đất, để nó trả lại một lực cân bằng và ngược chiều lên chân của người đi bộ.

Khi chúng ta đi bộ, chúng ta liên tục áp dụng định luật thứ ba của Newton. Nguồn: Pixabay.

Đó chính xác là lực cho phép mọi người đi bộ. Khi bay, chim tác dụng lực vào không khí và không khí đẩy cánh để chim tự đẩy về phía trước.

Chuyển động của ô tô

Trong ô tô, bánh xe tác dụng lực lên mặt đường. Nhờ phản lực của mặt đường, nó tác dụng lên lốp xe đẩy xe về phía trước.

Thể thao

Trong thể thao, lực lượng hành động và phản lực rất nhiều và có sự tham gia rất tích cực.

Ví dụ, hãy xem vận động viên đặt chân lên khối khởi động. Khối cung cấp một lực bình thường để phản ứng lại lực đẩy mà vận động viên tác dụng lên nó. Kết quả của giá trị bình thường này và trọng lượng của người chạy tạo ra một lực ngang cho phép vận động viên đẩy mình về phía trước.

Vận động viên sử dụng khối khởi động để thêm động lượng về phía trước khi bắt đầu. Nguồn: Pixabay.

Vòi chữa cháy

Một ví dụ khác trong đó định luật thứ ba của Newton là trong những người lính cứu hỏa cầm vòi cứu hỏa. Phần cuối của những chiếc vòi lớn này có một tay cầm trên miệng vòi mà người lính cứu hỏa phải cầm khi tia nước bắn ra, để tránh hiện tượng giật xảy ra khi nước chảy ào ạt.

Vì lý do tương tự, việc buộc các con thuyền vào bến trước khi rời bến sẽ rất thuận tiện, bởi vì bằng cách đẩy mình đến bến, một lực được cung cấp cho con thuyền để di chuyển nó ra khỏi nó.

Người giới thiệu

1. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Phiên bản thứ sáu. Sảnh Prentice. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Vật lý. Tập 1. Tái bản lần thứ 5. Biên tập Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Từ các nhà thiên văn học đến tàu vũ trụ. Lấy từ: pwg.gsfc.nasa.gov.