Bài học

Định luật III Newton

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu đúng định luật III Newton, nhận diện chính xác một cặp lực và phản lực trong các tình huống thực tế, và phân biệt được cặp lực này với hai lực cân bằng tác dụng lên cùng một vật.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước cho em công thức tính gia tốc từ hợp lực tác dụng lên một vật (same-grade bridge). Bài này hỏi thêm: khi vật A tác dụng lực lên vật B, vật B có tác dụng lại lực nào lên vật A không?

Khởi động

Khi đứng trên mặt đất và bước đi, chân ta đạp vào mặt đất theo hướng ra sau. Nhưng ta lại di chuyển về phía trước. Vậy lực nào đã đẩy cơ thể ta tiến lên?

Kiến thức trọng tâm

Định luật III Newton phát biểu: khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều, gọi là hai lực trực đối: $\vec{F}_{AB} = -\vec{F}_{BA}$ .

Điểm quan trọng nhất cần nhớ: hai lực trong một cặp lực và phản lực luôn tác dụng lên hai vật khác nhau — một lực tác dụng lên vật B, lực kia tác dụng lên vật A. Chính vì tác dụng lên hai vật khác nhau nên chúng không triệt tiêu nhau, dù độ lớn bằng nhau và ngược chiều. Đây là điều khác biệt căn bản so với hai lực cân bằng (như trọng lực và phản lực mặt bàn ở bài trước): hai lực cân bằng luôn tác dụng lên cùng một vật, nên hợp lực của chúng mới bằng không.

Quay lại câu hỏi khởi động: khi ta bước đi, chân ta tác dụng một lực đẩy vào mặt đất, hướng ra sau. Theo định luật III, mặt đất tác dụng trở lại chân ta một lực cùng độ lớn nhưng hướng ra trước. Lực này tác dụng lên cơ thể ta — một vật khác với mặt đất — nên nó chính là lực đẩy ta tiến về phía trước. Không phải chân ta "tự đẩy mình đi", mà là phản lực từ mặt đất.

Định luật III đúng cho mọi loại lực, không chỉ lực tiếp xúc như va chạm hay đẩy kéo, mà cả lực tác dụng từ xa như lực hấp dẫn. Trái Đất hút một quả táo bằng trọng lực, và theo định luật III, quả táo cũng hút ngược lại Trái Đất một lực đúng bằng độ lớn đó — chỉ là do khối lượng Trái Đất khổng lồ so với quả táo, gia tốc mà lực này gây ra cho Trái Đất là không thể nhận thấy được. Một điểm cần lưu ý thêm: cặp lực và phản lực luôn xuất hiện và biến mất đồng thời — không có lực nào "đến trước", lực nào "đến sau". Ngay khi tay chạm vào tường và đẩy, tường đã đẩy lại tay ngay lập tức, không có độ trễ thời gian.

Một câu hỏi hay gặp: nếu lực và phản lực luôn bằng nhau, vì sao khi đẩy một bức tường, ta không thấy tường di chuyển mà chính cơ thể ta (nếu đứng trên ván trượt) lại bị đẩy lùi? Câu trả lời nằm ở định luật II, không phải định luật III: lực tác dụng lên tường và lực tác dụng lên người đúng là bằng nhau về độ lớn, nhưng bức tường được gắn liền với cả khối Trái Đất — một khối lượng khổng lồ — nên gia tốc mà lực đó gây ra cho "tường và Trái Đất" là vô cùng nhỏ, gần như không nhận thấy được. Trong khi đó, khối lượng cơ thể người nhỏ hơn rất nhiều, nên cùng một lực gây ra gia tốc rõ rệt. Định luật III cho biết lực bằng nhau; định luật II mới quyết định vật nào chuyển động nhiều hơn.

Ví dụ

Cặp lực và phản lực khi bơi

1
Một người bơi dùng tay đẩy nước ra sau với lực 300 N. Hỏi nước tác dụng lại người bơi một lực bao nhiêu, theo hướng nào?
2
Lực người bơi tác dụng lên nước và lực nước tác dụng lên người bơi là một cặp lực và phản lực, có cùng độ lớn, ngược chiều.
3
Nước tác dụng lên người bơi một lực 300 N, hướng về phía trước — ngược với hướng người bơi đẩy nước ra sau. Chính lực này đẩy người bơi tiến lên, chứ không phải lực mà người bơi tác dụng lên nước.
4
Nếu người bơi đẩy nước mạnh hơn, ví dụ 400 N thay vì 300 N, theo định luật III nước cũng đẩy lại người bơi mạnh hơn, đúng bằng 400 N — người bơi tiến nhanh hơn. Điều này khớp với kinh nghiệm thực tế: đạp nước càng mạnh, bơi càng nhanh.

Ví dụ

Lực đẩy tên lửa từ định luật III kết hợp định luật II

1
Một tên lửa khối lượng 2000 kg (bỏ qua khối lượng nhiên liệu đã phụt ra) đang được phóng thẳng đứng lên. Động cơ đẩy khí ra phía sau (hướng xuống) với lực 50000 N. Lấy $g=9{,}8 \, m/s^2$ , bỏ qua sức cản không khí. Tính gia tốc của tên lửa ngay khi phóng.
Một tên lửa khối lượng 2000 kg (bỏ qua khối lượng nhiên liệu đã phụt ra) đang được phóng thẳng đứng lên. Động cơ đẩy khí ra phía sau (hướng xuống) với lực 50000 N. Lấy $g=9{,}8 \, m/s^2$, bỏ qua sức cản không khí. Tính gia tốc của tên lửa ngay khi phóng.
2
Ta có theo định luật III Newton, khí phụt ra tác dụng trở lại tên lửa một lực cùng độ lớn 50000 N nhưng ngược chiều — tức hướng lên trên.
3
Tên lửa còn chịu trọng lực $P=mg=2000 \times 9{,}8=19600$ N hướng xuống. Hợp lực theo phương thẳng đứng, chọn chiều dương hướng lên: $F=50000-19600=30400$ N.
Tên lửa còn chịu trọng lực $P=mg=2000 \times 9{,}8=19600$ N hướng xuống. Hợp lực theo phương thẳng đứng, chọn chiều dương hướng lên: $F=50000-19600=30400$ N.
4
Theo $F=ma$ , ta có $a=F/m=30400/2000=15{,}2 \, m/s^2$ .
Theo $F=ma$, ta có $a=F/m=30400/2000=15{,}2 \, m/s^2$.
5
Vậy ngay khi phóng, tên lửa có gia tốc 15,2 $m/s^2$ hướng lên. Bài toán này cho thấy định luật III cung cấp lực đẩy, còn định luật II mới tính ra gia tốc thực sự sau khi đã trừ trọng lực.
Vậy ngay khi phóng, tên lửa có gia tốc 15,2 $m/s^2$ hướng lên. Bài toán này cho thấy định luật III cung cấp lực đẩy, còn định luật II mới tính ra gia tốc thực sự sau khi đã trừ trọng lực.
6
Đơn vị của gia tốc thu được là m/s², đúng như kỳ vọng từ công thức $a=F/m$ (N chia cho kg cho ra m/s²). Độ lớn 15,2 m/s² lớn hơn gia tốc trọng trường 9,8 m/s² — hợp lý, vì tên lửa cần vượt qua trọng lực để bay lên chứ không chỉ rơi tự do.
Đơn vị của gia tốc thu được là m/s², đúng như kỳ vọng từ công thức $a=F/m$ (N chia cho kg cho ra m/s²). Độ lớn 15,2 m/s² lớn hơn gia tốc trọng trường 9,8 m/s² — hợp lý, vì tên lửa cần vượt qua trọng lực để bay lên chứ không chỉ rơi tự do.

Độ lớn của phản lực từ mặt đất khi ta bước đi phụ thuộc vào bề mặt: trên nền bê tông cứng, ma sát giữa giày và mặt đường đủ lớn để chân đẩy được một lực mạnh vào mặt đất, nên phản lực đẩy người đi cũng mạnh; trên cát mềm hoặc bùn lầy, một phần lực đẩy của chân bị tiêu hao vào việc làm biến dạng bề mặt, nên phản lực thực sự đẩy người tiến lên nhỏ hơn — đây là lý do chạy trên cát mệt hơn nhiều so với chạy trên đường nhựa. Chương sau sẽ định lượng chính xác lực ma sát này.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm kinh điển nhất khi học định luật III là nhầm trọng lực và phản lực của mặt bàn (ở một vật nằm yên trên bàn) là một cặp lực và phản lực. Hai lực này KHÔNG phải cặp lực-phản lực, dù cùng độ lớn và ngược chiều, vì cả hai đều tác dụng lên cùng một vật — cái hộp. Chúng là hai lực cân bằng. Cặp lực-phản lực thật sự của trọng lực là lực mà hộp hút ngược lại Trái Đất, tác dụng lên Trái Đất chứ không phải lên hộp; còn cặp lực-phản lực của phản lực mặt bàn là lực hộp đè xuống bàn, tác dụng lên bàn chứ không phải lên hộp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Định luật III Newton: lực và phản lực luôn cùng độ lớn, ngược chiều, nhưng tác dụng lên hai vật khác nhau nên không triệt tiêu nhau. Đừng nhầm với hai lực cân bằng tác dụng lên cùng một vật.

Ba định luật Newton vừa học là nền tảng để phân tích mọi bài toán lực. Chương tiếp theo gọi tên các lực cơ học cụ thể mà ta thường gặp trong đời sống, bắt đầu với trọng lực và lực đàn hồi của lò xo.