Định luật vạn vật hấp dẫn và ba định luật Newton về cơ học

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cùng ba định luật Newton là một trong những định luật vật lý cơ bản được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực vật lý cơ học. Định luật đã mở ra một trang mới trong nghiên cứu về các loại lực nói chung, đặc biệt là lực hấp dẫn – Một loại lực được Newton tìm ra vào thế kỉ 17. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu về định luật này trong bài viết dưới đây của chúng tôi nhé!

Lực hấp dẫn là gì?

Trước khi đi sâu vào tìm hiểu về định luật vạn vật hấp dẫn, chúng ta cần biết về loại lực là đối tượng nghiên cứu của định luật này. Vậy lực hấp dẫn là gì?

Khái niệm

Lực hấp dẫn hay còn được gọi với tên gọi khác là tương tác hấp dẫn. Đây là một hiện tượng vật lý xảy ra đối với tất cả các vật có khối lượng hoặc có tích trữ năng lượng trong vũ trụ đều có tương tác hút về phía nhau. Những vật này bao gồm từ các hạt cơ bản cho tới những vật thể to lớn như hành tinh, thiên hà, cụm thiên hà và thậm chí không có dạng vật chất nhất định như ánh sáng.

Isaac Newton là người đã tìm ra lực hấp dẫn
Isaac Newton là người đã tìm ra lực hấp dẫn

Một số lực hấp dẫn quen thuộc chúng ta có thể kể đến như lực hấp dẫn của Trái Đất khiến chúng ta gắn với bề mặt Trái Đất thay vì lơ lửng trong vũ trụ. Lực hấp dẫn của Mặt Trăng khiến mực nước đại dương thay đổi gây ra hiện tượng triều lên và triều xuống

Lực hấp dẫn cũng chính là nguyên nhân khiến các hạt cơ bản và các thành phần kết tụ lại gần nhau hơn và tạo ra các cấu trúc trong vũ trụ như bụi vũ trụ, lõi hành tinh,… từ đó tạo thành vũ trụ hiện nay.

Đặc điểm của lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn giữa hai vật thể cũng giống như các loại lực cơ bản khác, có những đặc điểm đặc trưng riêng:

  • Lực hấp dẫn xuất hiện ở giữa khoảng cách giữa hai vật và có tác dụng hút hai vật thể đó vào nhau
  • Lực hấp dẫn có độ lớn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật thể cần xét
  • Đây được coi là lực yếu nhất trong bốn tương tác của vật lý với độ chênh lệch rất lớn. Lực hấp dẫn yếu hơn tương tác mạnh 1038 lần, yếu hơn lực điện từ 1035 lần và yếu hơn tương tác yếu 1029 lần.
Lực hấp dẫn trong vũ trụ
Lực hấp dẫn trong vũ trụ
  • Lực hấp dẫn có phạm vi vô hạn. Điều này đồng nghĩa với việc một vật thể sẽ chịu lực hấp dẫn tới từ vô số các vật thể khác và độ lớn của lực hấp dẫn tác dụng lên vật sẽ có độ lớn khác nhau phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton

Định luật Vạn vật hấp dẫn được tìm ra bởi nhà khoa học Isaac Newton vào thế kỷ 17. Mặc dù có nhiều tranh cãi liên quan tới việc ai mới thực sự là người tìm ra định luật này nhưng cuối cùng Newton vẫn được công nhận và được coi là nền tảng của lĩnh vực nghiên cứu cơ học cổ điển.

Phát biểu định luật

Định luật này được phát biểu một cách tổng quát như sau: Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm bất kỳ sẽ có độ lớn tỉ lệ thuận với tích khối lượng của chúng. Đồng thời lực này tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai chất điểm.

Lực hấp dẫn của Trái Đất khiến quả táo rơi xuống mặt đất tay vì bay lên như thế này
Lực hấp dẫn của Trái Đất khiến quả táo rơi xuống mặt đất tay vì bay lên như thế này

Công thức tính lực hấp dẫn

Dựa trên phát biểu trên về định luật Vạn vật hấp dẫn của Newton, ta có thể rút ra được công thức tính lực hấp dẫn cơ bản sau:

F=Gm1m2r2

Trong đó:

F là lực hấp dẫn giữa hai chất điểm (N)

m1, m2 là khối lượng của hai chất điểm (kg)

r là khoảng cách của hai chất điểm tính từ tâm của chúng (m)

G là hằng số hấp dẫn có giá trị G = 6.67.10-31 (N.m2/kg2)

Ba định luật Newton về cơ học

Bên cạnh việc tìm ra lực hấp dẫn của định luật Vạn vật hấp dẫn, Isaac Newton còn tìm ra tập hợp bao gồm ba định luật về cơ học được gọi là Định luật Newton. Những định luật này của ông đã góp phần tạo nên một nền móng chắc chắn cho lĩnh vực nghiên cứu cơ học cổ điển trong thế kỉ 17.

Định luật Newton I

Định luật Newton I được phát triển dựa trên một phát biểu trước đó của Galileo Galilei về lực quán tính hay còn được gọi là Định luật quán tính.

Minh họa cho Định luật Newton I
Minh họa cho Định luật Newton I

Định luật này được phát biểu tổng quát như sau: Vật sẽ bảo toàn trạng thái ban đầu (đứng yên hoặc chuyển động đều) nếu không chịu tác động của lực nào hoặc đang chịu tác động của các lực mà hợp lực của chúng có độ lớn bằng không.

Định luật này đã chỉ ra rằng lực không phải là nguyên nhân cơ bản gây ra chuyển động ở vật. Lực chỉ là tác nhân gây ra sự thay đổi về trạng thái chuyển động của vật (tiếp động lượng khiến vật từ đứng yên thành di chuyển hay tăng vận tốc từ di chuyển chậm thành di chuyển nhanh), Tuy nhiên phát biểu này chỉ đúng trong trường hợp vật được đặt trong một hệ quy chiếu quán tính (vận tốc di chuyển của vật không đổi). Trong những trường hợp khác, chúng ta cần phải xét thêm lực quán tính vào hệ.

Định luật Newton II

Định luật Newton II phát biểu rằng gia tốc của một vật sẽ có cùng phương và hướng với lực tác động lên vật. Độ lớn của gia tốc này sẽ tỉ lệ thuận với độ lớn của lực tác động và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

Minh họa cho Định luật Newton II
Minh họa cho Định luật Newton II

Định luật này có thể được phát biểu ở dạng toán học như sau:

Trong đó:

là vectơ hợp lực tác dụng lên vật

là vectơ động lượng của vật

t là thời gian lực tác động lên vật

Ngoại việc đưa ra định nghĩa của lực thì định luật Newton II cũng chình là nền tảng đề xây dựng khái niệm động lượng, định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng. Đây chính là tiền đề để việc nghiên cứu về chuyển động và tương tác giữa các vật trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Định luật Newton III

Định luật Newton III là một phát biểu về phương, chiều và mối quan hệ giữa lực của hai vật. Nếu vật A tác dụng lên vật B một lực thì đồng thời vật B cũng tác dụng lên A một lực tương ứng. Hai lực này sẽ có cùng độ lớn và phương nhưng ngược chiều.

Minh họa cho Định luật Newton III
Minh họa cho Định luật Newton III

Với phát biểu trên, định luật này đã đưa ra khái niệm về phản lực và sự tồn tại của những cặp động lực – phản lực thay vì những lực xuất hiện và tồn tại riêng rẽ. Về bản chất, lực sẽ chỉ xuất hiện khi giữa hai hay nhiều vật xuất hiện sự tương tác qua lại với nhau. Khi một lực được tạo ra thì đồng thời phản lực cũng xuất hiện với độ lớn và phương giống nhau nhưng ngược chiều. Chính vì vậy chúng có tác dụng triệt tiêu nhau và được gọi là một cặp lực trực đối.

Hy vọng bài viết này của chúng tôi đã giúp bạn hiểu hơn về những định luật được nhà khoa học vĩ đại Isaac Newton tìm ra là Định luật Vạn vật hấp dẫn và ba Định luật Newton về cơ học. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm những kiến thức tương tự về lĩnh vực vật lý, đừng quên bình luận bên dưới để chúng tôi biết và ra thêm những bài viết mới về lĩnh vực bạn quan tâm nhé!

Xem thêm: 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *