Ba định luật Newton qua sân trường: đá cầu, kéo co và bóng bay

Ba định luật Newton nói ba điều: vật giữ nguyên trạng thái chuyển động nếu không có lực tác dụng; lực càng lớn và vật càng nhẹ thì vật đổi tốc độ càng nhanh; và mỗi khi bạn đẩy một vật, vật đó đẩy lại bạn đúng bằng chừng ấy. Không cần phòng thí nghiệm để thấy ba điều này. Một giờ ra chơi ở sân trường có đủ cả ba: quả cầu nằm yên chờ cú đá, chiếc cặp nặng khó kéo hơn chiếc cặp rỗng, và hai đội kéo co ghì nhau trên cùng một sợi dây.

Newton là ai và ba định luật ra đời thế nào

Isaac Newton là nhà khoa học người Anh, sinh năm 1643. Năm 1687, ông công bố cuốn sách viết bằng tiếng Latinh, tên thường gọi tắt là Principia (Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên). Ba định luật chuyển động nằm ngay những trang đầu cuốn sách. Newton không nghĩ ra tất cả từ con số không. Trước ông, Galileo Galilei ở Ý đã làm nhiều thí nghiệm lăn bi trên mặt nghiêng và nhận ra rằng một vật đang chạy sẽ chạy mãi nếu không có gì cản. Newton gom các ý tưởng rời rạc thành ba câu ngắn gọn, đủ chính xác để tính được đường đi của viên đạn, của Mặt Trăng, của sao chổi.

Đơn vị đo lực ngày nay mang tên ông: newton, viết tắt là N. Một newton xấp xỉ sức nặng của một vật khoảng 100 gam trên Trái Đất, tức là cỡ một quả chanh to nằm trong lòng bàn tay. Một bạn học sinh nặng 35 kg ép xuống sàn một lực khoảng 343 N.

Định luật 1: quả cầu nằm yên cho tới khi có người đá

Định luật thứ nhất còn gọi là định luật quán tính. Nó nói: một vật đang đứng yên sẽ đứng yên mãi, một vật đang chuyển động thẳng đều sẽ chuyển động thẳng đều mãi, cho tới khi có lực nào đó làm nó thay đổi.

Nửa đầu dễ hiểu: quả cầu lông gà nằm trên sân không tự bay lên. Nửa sau mới lạ. Trong đời thật, ta chưa bao giờ thấy vật nào "chạy mãi". Quả bóng lăn trên sân xi măng rồi cũng dừng. Vì vậy suốt gần hai nghìn năm, nhiều người tin theo nhà triết học Hy Lạp Aristotle rằng muốn vật chạy thì phải liên tục đẩy nó. Galileo và Newton chỉ ra rằng quả bóng dừng không phải vì nó "hết đà" mà vì có lực cản: ma sát với mặt sân và sức cản của không khí. Bỏ hết những lực cản ấy đi, quả bóng sẽ lăn không ngừng. Trong vũ trụ, nơi gần như không có gì cản, các tàu thăm dò như Voyager 1 phóng từ năm 1977 vẫn đang bay ra xa mà không cần đốt nhiên liệu đẩy liên tục.

Ở sân trường bạn gặp định luật 1 mỗi ngày:

• Đang chạy thật nhanh mà muốn dừng lại, chân phải ghì xuống đất vài bước. Cơ thể "muốn" tiếp tục chạy.
• Vấp vào bậc thềm, chân dừng lại nhưng người đổ chúi về phía trước.
• Chiếc xe đạp đang lăn, bạn ngừng đạp mà nó vẫn đi thêm được một đoạn.

Định luật 2: vì sao đá cầu nhẹ chân mà cặp sách phải kéo mạnh

Định luật thứ hai cho biết lực, khối lượng và gia tốc liên quan với nhau thế nào. Viết gọn thành công thức nổi tiếng:

F = m × a — lực (F) bằng khối lượng (m) nhân với gia tốc (a).

"Gia tốc" nghĩa là tốc độ thay đổi nhanh hay chậm. Một chiếc xe từ đứng yên lên 10 km/h trong một giây có gia tốc lớn hơn chiếc xe cần năm giây mới đạt tốc độ ấy.

Đọc công thức theo hai cách:

• Cùng một vật, lực mạnh hơn thì vật tăng tốc nhanh hơn. Đá quả cầu nhẹ chân, cầu bay chậm và thấp. Đá mạnh, cầu vọt lên cao.
• Cùng một lực, vật nặng hơn thì tăng tốc chậm hơn. Quả cầu rất nhẹ nên một cú hất nhẹ đã làm nó bay vèo. Chiếc cặp đầy sách nặng vài ký thì cùng cú đá ấy chỉ nhích đi một chút.

Định luật 2 giải thích vì sao thủ môn bóng đá phải dùng cả hai tay và cả thân người để chặn cú sút mạnh: muốn làm quả bóng đang bay nhanh dừng lại trong khoảnh khắc ngắn, cần một lực rất lớn. Nó cũng giải thích vì sao đẩy xe đẩy hàng rỗng thì nhẹ tênh, còn khi xe chất đầy thùng nước thì phải dồn cả người vào mới khởi động được.

Một con số để nhớ

Trên Trái Đất, mọi vật thả rơi tự do đều tăng tốc khoảng 9,8 mét mỗi giây sau mỗi giây. Nhân con số đó với khối lượng, ta ra trọng lượng của vật, tính bằng newton. Đây chính là định luật 2 áp vào lực hút của Trái Đất. Bài về trọng lực trong cùng danh mục sẽ kể kỹ hơn.

Định luật 3: kéo co không thắng nhờ dây mà nhờ chân

Định luật thứ ba thường được nhớ là "có lực thì có phản lực". Khi vật A đẩy vật B, vật B đẩy lại vật A một lực cùng độ lớn, ngược chiều. Hai lực này luôn xuất hiện thành cặp, cùng lúc, và đặt lên hai vật khác nhau.

Kéo co là ví dụ đẹp nhất. Nhiều bạn nghĩ đội nào kéo dây mạnh hơn thì thắng. Nhưng theo định luật 3, lực mà đội A kéo đội B qua sợi dây luôn đúng bằng lực đội B kéo đội A. Sợi dây không "thiên vị" ai. Vậy ai thắng?

Câu trả lời nằm dưới chân. Mỗi bạn trong đội đạp chân vào mặt đất, đẩy đất về phía trước; mặt đất đẩy lại người đó về phía sau. Đội nào nhận được lực đẩy ngược từ mặt đất lớn hơn thì kéo được cả khối người và dây về phía mình. Vì vậy các đội kéo co có kinh nghiệm:

• Đi giày đế bám, không đi dép trơn.
• Ngả người ra sau, hạ thấp trọng tâm, gót chân cắm xuống đất.
• Cùng dồn lực theo một nhịp hô, vì lực đẩy đất của cả đội cộng lại mới có tác dụng.

Các ví dụ khác của định luật 3 quanh sân trường:

• Bật nhảy xa: chân đạp đất ra sau, đất đẩy người bạn bay về trước.
• Bơi: tay gạt nước ra sau, nước đẩy người về trước.
• Ngồi trên ghế có bánh xe rồi đẩy vào tường: tường không nhúc nhích nhưng bạn trôi ngược lại.
• Quả bóng bay xì hơi bay vụt đi: bóng ép khí phụt ra phía sau, khí đẩy bóng về phía trước. Tên lửa bay lên vũ trụ theo đúng nguyên lý này.

Ba định luật trong một pha đá cầu

Thử "tua chậm" một pha đá cầu ở giờ ra chơi để thấy cả ba định luật làm việc cùng nhau:

Khoảnh khắc	Điều xảy ra	Định luật
Quả cầu rơi xuống tới chân	Nếu không ai đá, cầu cứ thế rơi chạm đất	Định luật 1: không có lực mới thì không đổi hướng
Mu bàn chân chạm cầu	Chân đẩy cầu lên; cầu cũng ép ngược vào chân một lực bằng thế	Định luật 3: lực và phản lực
Cầu vọt lên	Đá càng mạnh cầu lên càng nhanh; cầu nhẹ nên chỉ cần lực nhỏ	Định luật 2: F = m × a
Cầu chậm dần rồi rơi lại	Trọng lực kéo xuống, lông gà cản gió nên cầu rơi chậm, xoay đều	Định luật 2 với trọng lực và sức cản không khí

Chùm lông của quả cầu là một thiết kế thông minh. Nó tạo sức cản không khí lớn, khiến cầu luôn quay đầu nặng xuống dưới và rơi đủ chậm để người đá kịp đưa chân.

Những hiểu lầm hay gặp

"Vật chuyển động thì phải có lực đẩy nó"

Không đúng. Vật chuyển động đều thì không cần lực. Chỉ khi muốn thay đổi chuyển động (nhanh lên, chậm lại, đổi hướng) mới cần lực. Quả bóng đang bay trên không không còn "lực của cú đá" nào đi theo nó; cú đá chỉ tác dụng trong khoảnh khắc chân chạm bóng.

"Lực và phản lực triệt tiêu nhau nên không có gì xảy ra"

Không đúng. Hai lực này đặt lên hai vật khác nhau nên không thể cộng lại để triệt tiêu. Khi bạn nhảy, đất đẩy bạn lên và bạn đẩy đất xuống. Bạn bay lên vì bạn nhẹ; Trái Đất cũng bị đẩy đi, nhưng vì nó nặng khủng khiếp nên chuyển động của nó nhỏ đến mức không đo nổi.

"Vật nặng thì có nhiều quán tính, vật nhẹ thì không có"

Mọi vật có khối lượng đều có quán tính. Vật nặng có quán tính lớn hơn, nghĩa là khó làm nó bắt đầu chạy hơn và cũng khó làm nó dừng lại hơn.

Thử làm: tên lửa bóng bay trên sợi dây

Thí nghiệm này cho thấy định luật 3 rõ như ban ngày, và đo thêm được cả định luật 2. Làm trong lớp hoặc hành lang, không cần gì nguy hiểm.

Chuẩn bị: một cuộn dây cước hoặc dây len dài 4–5 mét, một ống hút thẳng, vài quả bóng bay dài, băng dính, một chiếc kẹp giấy hoặc kẹp phơi quần áo, thước dây.

1. Luồn dây qua ống hút. Buộc hai đầu dây vào hai lưng ghế đặt cách xa nhau, kéo căng và thẳng.
2. Thổi căng quả bóng, dùng kẹp kẹp miệng bóng lại (chưa buộc).
3. Dán bóng vào ống hút bằng hai miếng băng dính, miệng bóng quay về một đầu dây.
4. Kéo bóng về sát đầu dây phía miệng bóng, tháo kẹp và thả tay.
5. Đo quãng đường bóng chạy được. Làm ba lần, ghi lại.

Thay đổi từng thứ một để xem điều gì xảy ra:

• Thổi bóng ít hơn (ít khí hơn để đẩy ra): bóng đi gần hay xa hơn?
• Dán thêm hai đồng xu hoặc hai chiếc kẹp giấy vào bóng (nặng hơn): bóng tăng tốc nhanh hay chậm hơn lúc đầu? Đây là định luật 2.
• Căng dây dốc lên một chút: bóng còn leo được không?

Mỗi lần chỉ đổi một yếu tố, giữ nguyên các yếu tố còn lại. Đó là cách các nhà khoa học làm thí nghiệm công bằng.

Gợi ý cho phụ huynh và thầy cô

Định luật Newton nằm trong chương trình Khoa học tự nhiên và Vật lý ở bậc trung học cơ sở, trung học phổ thông. Điều khó nhất với học sinh không phải là thuộc công thức mà là bỏ đi trực giác "vật chạy cần có lực đẩy". Cách hiệu quả là để trẻ tự dự đoán trước khi làm thí nghiệm: "Con nghĩ bóng sẽ đi xa hơn hay gần hơn?" Rồi so sánh dự đoán với kết quả. Một dự đoán sai được tự tay sửa lại sẽ nhớ lâu hơn mười lần nghe giảng.

Câu hỏi thường gặp

Ba định luật Newton là gì nói ngắn gọn?

Định luật 1: vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều nếu không có lực làm thay đổi. Định luật 2: lực bằng khối lượng nhân gia tốc, F = m × a. Định luật 3: khi A tác dụng lực lên B thì B tác dụng lại lên A một lực bằng thế, ngược chiều.

Vì sao kéo co lực hai đầu dây bằng nhau mà vẫn có đội thắng?

Vì đội thắng là đội nhận được lực đẩy từ mặt đất lớn hơn. Mỗi người đạp chân vào đất, đất đẩy ngược lại họ. Giày bám tốt, tư thế thấp và kéo cùng nhịp giúp cả đội tận dụng lực đẩy đó.

Định luật 1 Newton có đúng trong đời thường không khi mọi vật đều tự dừng?

Có. Vật tự dừng là vì có ma sát và sức cản không khí tác dụng lên nó. Khi các lực cản rất nhỏ, như xe trượt trên băng hay tàu thăm dò trong vũ trụ, vật đi được rất xa mà không cần đẩy thêm.

Đơn vị newton lớn cỡ nào?

Một newton xấp xỉ trọng lượng của một vật nặng khoảng 100 gam trên Trái Đất, như một quả chanh to. Một người nặng 50 kg có trọng lượng khoảng 490 N.

Học sinh học định luật Newton ở lớp mấy?

Các khái niệm lực, chuyển động bắt đầu xuất hiện trong môn Khoa học tự nhiên ở bậc trung học cơ sở, còn ba định luật Newton được học đầy đủ với công thức ở môn Vật lý bậc trung học phổ thông. Trẻ nhỏ hơn vẫn hiểu được ý chính qua thí nghiệm đơn giản như tên lửa bóng bay.