Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường

Định luật gia tốc 2 (còn gọi là Định luật vạn vật cân bằng):
Định luật vạn vật cân bằng là một Định luật Vật lý, để mô tả trạng thái cân bằng theo phương chiều chuyển động của vật thể, với quỹ đạo chuyển động là đường thẳng trên mặt đất. Nói cách khác thì Định luật vạn vật cân bằng nêu lên mối liên hệ giữa lực tác dụng là nguyên nhân làm cho vật thể chuyển động, với vận tốc và gia tốc chuyển động, trong quá trình vật thể chuyển động theo quỹ đạo là đường thẳng trên mặt đất.
Một số khái niệm mới:
1. Lực tác dụng (F): là lực tác dụng vào vật thể, làm cho vật chuyển động.
2. Lực cản gia tốc (F1): là lực cản trở gia tốc chuyển động của vật thể. Lực này có phương chiều ngược lại với phương chiều gia tốc chuyển động, có độ lớn tỉ lệ thuận với khối lượng vật thể (m), và gia tốc chuyển động (a).
Công thức tính: F1 = k1.m.a (N)
3. Lực cản vận tốc (F2): là lực cản trở vận tốc chuyển động của vật thể. Lực này có phương chiều ngược lại với phương chiều vận tốc chuyển động, có độ lớn tỉ lệ thuận với lực do phản lực từ mặt đất tác động trở lại vào vật thể (Fn), và vận tốc chuyển động (vt).
Công thức tính: F2 = k2.Fn.v
4. Phản lực của trọng lực (Fn): Là lực do mặt đất tác động trở lại vào vật thể. Lực này có độ lớn bằng độ lớn của trọng lực, có phương chiều ngược lại với phương chiều của trọng lực.
5. k1: Hệ số cản gia tốc, xác định bằng thực nghiệm (s2/m).
6. k2: Hệ số cản vận tốc, xác định bằng thực nghiệm (s/m).
7. a: Gia tốc chuyển động (m/s2).
8. v: Vận tốc chuyển động (m/s).
Phát biểu Định luật:
Giả sử ta có quỹ đạo chuyển động là đường thẳng trên mặt đất. Khi ta tác dụng một lực vào vật thể làm cho vật chuyển động trên quỹ đạo đó, thì xuất hiện quy luật cân bằng giữa lực tác dụng vào vật với lực cản gia tốc và lực cản vận tốc chuyển động.
Công thức cân bằng: F = F1 + F2
Thay giá trị F1, và F2 ta có: F = k1.m.a + k2.Fn.v
Các trường hợp đặc biệt:
a) Khi vật thể đang chuyển động với vận tốc đều mà ta giảm hoặc ngừng tác dụng lực vào vật thể, thì trạng thái cân bằng của vật thay đổi. Lúc này thì lực cản gia tốc thay thế một phần hoặc thay thế hoàn toàn vai trò của lực tác dụng vào vật thể. Trạng thái cân bằng của vật thể được thay đổi tương ứng với công thức cân bằng sau:
- Khi ta giảm lực tác dụng vào vật thể:
F + F1 = F2 → F + k1.m.a = k2.Fn.v
- Khi ta ngừng tác dụng lực vào vật thể:
F1 = F2 → k1.m.a = k2.Fn.v
b) Tại thời điểm vật bắt đầu chuyển động (t0) thì vận tốc chuyển động của vật bằng 0. Công thức cân bằng tại thời điểm t0 như sau:
F = F1 → F = k1.m.a0
c) Sau thời điểm t0 vật sẽ chuyển động tăng tốc với gia tốc giảm dần, đến một thời điểm nào đó (tn) thì gia tốc chuyển động bằng 0, tương ứng vận tốc đạt cực đại. Công thức cân bằng tại thời điểm tn như sau:
F = F2 → F = k2.Fn.v
d) Quy luật tăng vận tốc giảm dần:
Vật thể chuyển động từ thời điểm t0 đến thời điểm tn tuân theo quy luật tăng vận tốc giảm dần. Trong quá trình chuyển động này thì vận tốc chuyển động tăng dần, đồng thời với gia tốc chuyển động giảm dần. Do gia tốc giảm dần nên mức tăng vận tốc giảm dần. Đến thời điểm tn thì gia tốc chuyển động bằng 0, tương ứng với vận tốc chuyển động đạt cực đại. Công thức cân bằng trong quá trình chuyển động này như sau:
F = F1 + F2 → F = k1.m.a + k2.Fn.v
Nếu không có quy luật tăng vận tốc giảm dần thì sảy ra điều gì? ta chỉ cần tác động một lực đủ lớn làm cho vật thể chuyển động, và vận tốc của vật có thể sẽ tăng lên mãi cho đến vận tốc vô cùng lớn.
Liên hệ thực tế: Khi bạn đi xe máy, bạn tăng ga và giữ tay ga ổn định ở một mức nào đó, bạn sẽ thấy lúc đầu xe tăng tốc nhanh, sau đó mức tăng tốc sẽ giảm dần cho đến khi xe không tăng tốc nữa (vận tốc chuyển động đạt cực đại). Quy luật này được gọi là quy luật tăng vận tốc giảm dần.

Send a message to learn more

Định luật gia tốc
Định luật gia tốc1:
Có hai nguyên nhân làm cho vật chuyển động gia tốc là nguyên nhân trực tiếp và nguyên nhân gián tiếp. Nếu có một lực tác động vào một vật thể nào đó là nguyên nhân trực tiếp làm cho nó chuyển động với một gia tốc tương ứng, thì kể từ thời điểm vật thể chuyển động gia tốc, lực tác động đó không còn tác động vào vật thể đã nói nữa.
Điều này có thể được hiểu tương tự như sau: Nếu ta đem tiền đi mua một món hàng thì ngay sau thời điểm mua, ta không còn tiền đã mua hàng nữa. Định luật này cho ta thấy một phần thế giới vật lý mới mà nhân loại từ trước đến nay chưa từng biết đến. Có thể nói ví rằng, nếu thế giới vật lý mà nhân loại đã nhận thức được như phần sáng của Mặt Trăng, thì thế giới vật lý mới được đề cập ở đây như là phần tối của Mặt Trăng vậy.
Chứng minh:
Trước hết ta làm rõ khái niệm nguyên nhân trực tiếp và nguyên nhân gián tiếp làm cho vật chuyển động gia tốc.
Thí nghiệm 1: treo vật nặng trên một thanh xà ngang, khi ta cắt dây, quan sát sẽ thấy vật rơi tự do xuống mặt đất, và vật không còn trọng lượng nữa. Trong trường hợp này thì nguyên nhân gián tiếp là do ta cắt dây và trực tiếp là do lực hấp dẫn của Trái Đất hút vật xuống. Việc cắt dây treo vật ở đây được hiểu là ta đã huỷ bỏ nguồn lực kéo vật lên, hay còn gọi là huỷ bỏ nguồn lực cân bằng với lực hấp dẫn hút vật xuống.
Thí nghiệm 2: Giả sử ta có thể thay thanh xà ngang bằng một Trái Đất giả định, điều kiện là Trái Đất giả định này giống hệt như Trái Đất thật, lực hấp dẫn của chúng không tương tác lẫn nhau mà chỉ tương tác với vật giữa chúng. Ta sẽ không cần dây treo vật, mà vật vẫn có thể tồn tại lơ lửng giữa Trái Đất giả định và Trái Đất thật, vì lực hấp dẫn thật và lực hấp dẫn giả định tác động lên vật là cân bằng nhau. Bây giờ ta tác dụng một lực không đủ lớn hơn lực hấp dẫn giả định vào vật, làm cho vật chuyển động gia tốc rơi xuống Trái Đất thật, thì lực tác dụng đó cũng được gọi là nguyên nhân gián tiếp làm cho vật chuyển động gia tốc. Ở đây, tất nhiên nguyên nhân trực tiếp làm cho vật chuyển động gia tốc rơi xuống vẫn là lực hấp dẫn thật.
Có sự khác biệt cơ bản ở hai thí nghiệm trên: ở thí nghiệm 1 thì kể từ khi vật rơi, vật không có trọng lượng nữa, còn ở thí nghiệm 2 thì khi vật tồn tại lơ lửng và trong suốt quá trình rơi vật vẫn có trọng lượng.
Thí nghiệm 3: Ta làm thêm một thí nghiệm giả định là trong khi vật đang lơ lửng giữa hai Trái Đất giả định và thật, ta huỷ bỏ hết các lực hấp dẫn. Điều ta có thể tiên đoán là vật vẫn tồn tại lơ lửng giữa hai Trái Đất giả định và thật, tuy nhiên vật không còn trọng lượng nữa. Trạng thái của vật lúc này tương tự như trong các trường hợp thực tế: quá trình vật rơi tự do xuống mặt đất hoặc là chuyển động tự do vòng quanh Trái Đất.
Căn cứ vào trường hợp vật tồn tại lơ lửng giữa hai Trái Đất giả định và thật: hai Trái Đất này đều có lực hấp dẫn thì vật có trọng lượng, và hai Trái Đất đều không có lực hấp dẫn thì vật không có trọng lượng, ta có thể đi đến kết luận là các lực tác dụng lên vật cân bằng nhau thì không triệt tiêu nhau, mà chúng cùng tồn tại đối lập nhau. Hai lực hấp dẫn của Trái Đất thật và của Trái Đất giả định cùng tác dụng lên vật lơ lửng giữa chúng, làm cho vật ở trạng thái cân bằng và có trọng lượng, chứ hoàn toàn không có câu chuyện chúng triệt tiêu nhau. Liên hệ đến vạn vật tồn tại trên mặt đất: trong môi trường áp suất khí quyển, ta thấy luôn có lực do áp suất khí quyển tác động vào vật theo các phương chiều đối lập nhau, chứ hoàn toàn không có câu chuyện chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Kết luận: Từ những thí nghiệm như trên, ta có thể kết luận nguyên nhân vật rơi tự do xuống mặt đất là do nguyên nhân lực hấp dẫn của Trái Đất, và đây là nguyên nhân trực tiếp. Trong quá trình rơi tự do, vật không còn trọng lượng là do lực hấp dẫn không còn tác dụng vào vật nữa. Điều đó có nghĩa là lực hấp dẫn của Trái Đất đóng vai trò là nguyên nhân trực tiếp làm cho vật rơi, và kể từ thời điểm vật rơi, nó không còn tác dụng vào vật nữa.
Liên hệ thực tế: Nếu bạn sút rất mạnh vào một trái bóng trên sât cỏ, thì nguồn lực từ chân bạn được chia làm hai phần. Phần thứ nhất khá nhỏ là phần tác động vào trái bóng, đây là phần lực để thắng (để cân bằng với) lực cản trở chuyển động của trái bóng. Phần thứ nhất này tác động vào trái bóng và được cân bằng với phản lực từ trái bóng vào chân. Phần thứ hai thường lớn hơn nhiều là phần làm cho trái bóng chuyển động gia tốc. Giả sử lực cản trở chuyển động của trái bóng là rất lớn, và bạn sút bóng rất mạnh thì dường như ngay lập tức bạn sẽ thấy chân mình rất đau đớn, do phản lực từ bóng tác động ngược trở lại vào chân rất lớn. Điều này có nghĩa là khi bạn sút trái bóng đi, thì lực tác động vào bóng không hoàn toàn phụ thuộc vào việc bạn sút mạnh hay sút yếu, mà phụ thuộc khá nhiều vào các lực cản trở chuyển động của trái bóng vậy. Một liên hệ thực tế khác: Nếu bạn giơ tay đấm vào một quả bóng bay đang lơ lửng trong không khí, thì lực tác động của tay vào bóng bay dường như chỉ phụ thuộc vào lực cản trở chuyển động của không khí với bóng bay, chứ rất ít phụ thuộc vào việc bạn đấm mạnh hay đấm nhẹ. Bởi vì phần lớn nguồn lực của tay đấm đóng vai trò là nguyên nhân làm cho bóng bay chuyển động gia tốc, và kể từ thời điểm bóng bay bắt đầu chuyển động gia tốc thì nguồn lực này không còn tác động vào bóng bay nữa.

Send a message to learn more

Định luật mà tôi vừa phát biểu ở bài đăng trước cho ta thấy một phần thế giới vật lý mới mà nhân loại chưa từng biết đến. Có thể nói thế giới vật lý mà nhân loại đã nhận thức được như phần sáng của Mặt Trăng, còn một phần thế giới vật lý mới như là phần tối của Mặt Trăng vậy.

Call now to connect with business.

Tôi đã phát minh ra một định luật vật lý, phát biểu như sau:
Nếu có một lực tác động vào một vật thể nào đó, làm cho nó chuyển động với một gia tốc tương ứng, thì lực đó không còn tác động vào vật thể đã nói nữa.
Điều này có thể được hiểu tương tự như sau: Nếu ta đem tiền đi mua một món hàng thì ngay sau khi mua ta có được món hàng nhưng tiền mua hàng thì không còn nữa.

Call now to connect with business.

Các định luật vạn vật cân bằng
và sự ra đời của thuyết “Cơ học thế hệ mới”
1. Định luật II Niu-tơn dưới góc nhìn kinh tế học và Định luật vạn vật cân bằng 1
Định luật II Niu-tơn được phát biểu như sau:
Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Công thức: a =F/m, hay F = m.a
Trong đó: F là lực tác dụng (N); m là khối lượng (kg); a là gia tốc (m/s2)
Nhìn vào công thức trên, ta hiểu rằng khi đang đứng yên mà có ngoại lực tác động vào vật, thì vật có thiên hướng chuyển trạng thái từ đứng yên sang chuyển động với một gia tốc nào đó. Câu hỏi thú vị đặt ra ở đây là khi vật đã chuyển sang trạng thái chuyển động với một gia tốc nào đó, tương ứng với công thức F = m.a, thì ngoại lực tác dụng vào vật có còn tồn tại như khi nó đang đứng yên hay không?
Để trả lời câu hỏi này ta hãy dùng khoa học kinh tế, dùng ánh sáng kinh tế học để soi sáng vấn đề. Ta giả lập một thị trường mua bán với F là số lượng tiền (đồng), m là giá thóc (giá cả hàng hoá), và a là số lượng thóc, với số lượng tiền F có thể mua được (kg). Công thức trao đổi tương đương ở đây là F = a.m. Bây giờ giả thử ta có lượng tiền F, và ta xâm nhập thị trường đó để mua số lượng thóc a.m, thì điều gì sẽ sảy ra vậy? Xin thưa đó là trước khi mua thóc ta có tiền, nhưng sau khi mua thóc thì ta chỉ có thóc, chứ tiền thì không còn nữa. Điều này cho ta thấy ta không thể đồng thời có cả hai thứ, vừa có thóc lại vừa có tiền. Cụ thể nếu F là 10 đồng, m là 2 đồng/kg thóc, thì a là 5kg thóc. Ta đem 10 đồng đi mua 5kg thóc, thì trước khi mua ta có 10 đồng, và sau khi mua ta có 5kg thóc. Nghĩa là ta chỉ có thể có 10 đồng hoặc 5kg thóc, chứ không thể vừa có đồng thời cả hai.
Đem triết lý mua bán (trao đổi tiền – hàng) này soi chiếu vào công thức F = m.a của định luật II Niu-tơn, ta có thể nhận ra khi vật còn đứng yên thì còn có lực F tác dụng vào vật, nhưng khi vật đã chuyển động với gia tốc a, thì lực F không còn tồn tại nữa. Nghĩa là khi vật đứng yên thì ta có lực F (là lực đơn hay tổng hợp lực) tác dụng vào vật, còn khi vật chuyển động có gia tốc thì ta không còn lực F nữa. Điều này cũng lý giải cho câu thành ngữ nói về việc chặt củi: “Dao sắc không bằng chắc kê”: nếu ta không kê chắc, để thanh củi có thể chuyển động khi dùng dao chặt nó, thì sẽ tốn nhiều công sức hơn, do lực của dao tác dụng vào thanh củi di chuyển đã bị suy giảm đi rất nhiều. Có thể nói lực F gây ra chuyển động gia tốc của vật, nhưng không còn tác dụng vào vật khi nó chuyển động gia tốc, là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học vật lý. Một khi bí ẩn này được khám phá, thì một phần thế giới mới của khoa học vật lý cũng được mở ra. Phần thế giới mới được mở ra đó, chính là sự ra đời của thuyết “Cơ học thế hệ mới”. Từ bí ẩn khoa học được khám phá này, ta có thể tiên đoán trên thực tế không có lực quán tính, và phát biểu định luật cân bằng 1 như sau:
Định luật vạn vật cân bằng 1
Một lực được coi là nguyên nhân trực tiếp tạo ra chuyển động gia tốc, sẽ đồng thời mất đi khi vật bắt đầu chuyển động tương ứng với gia tốc đó. Nói cách khác thì độ lớn của lực tác dụng vào vật luôn có xu hướng trao đổi thành chuyển động gia tốc của vật. Công thức trao đổi ở đây là:
F = M.A trong đó:
F : Lực tác dụng vào vật, là nguyên nhân trực tiếp tạo ra chuyển động gia tốc
M: Khối lượng vật
A: Gia tốc chuyển động
Hệ quả Định luật vạn vật cân bằng 1
Định luật vạn vật cân bằng 1 cho ta một lăng kính rất mới để nhìn nhận vô vàn các sự vật hiện tượng đã và đang diễn ra trong thế giới tự nhiên rất sinh động và kì bí. Ta sẽ thấy một cầu thủ bóng đá đá quả bóng với một lực rất mạnh, mà bóng không hề bị vỡ, hay một cầu thủ bóng bàn dùng vợt đập bóng cũng với một lực rất mạnh, mà bóng cũng không sao. Và ta hiểu đó là do một phần rất lớn lực đá bóng (hay lực đập bóng bàn) đó đã được trao đổi thành chuyển động gia tốc của quả bóng đá (hay bóng bàn). Nhìn rộng ra chúng ta có thể biết được tương tác hấp dẫn một chiều là một trong những tương tác phổ biến nhất trong vũ trụ. Ví dụ tương tác hấp dẫn giữa trái đất và mặt trăng là tương tác một chiều: chỉ có mặt trăng hút trái đất. Trái đất không hút mặt trăng, bởi vì lực hấp dẫn mà nó hút mặt trăng được trao đổi thành chuyển động của mặt trăng xung quanh trái đất. Tương tự như vậy, các tương tác hấp dẫn giữa các hành tinh của hệ mặt trời, và mặt trời cũng là các tương tác hấp dẫn một chiều.
2. Thuyết “Cơ học thế hệ mới” với định luật vạn vật cân bằng 2
Cơ học thế hệ mới không phải là một phần của thuyết “Cơ học cổ điển”, và càng không phải là một phần của thuyết “Cơ học lượng tử”. Thế giới đã có cơ học cổ điển là số 1, và cơ học lượng tử là số 2, thì việc có thêm một thuyết cơ học thứ 3 là cơ học thế hệ mới cũng không có gì đáng ngạc nhiên. Nếu như cơ học cổ điển là dấu mốc mở ra thời kỳ phát triển thứ nhất của nhân loại, và cơ học lượng tử mở ra thời kỳ phát triển thứ hai, thì cơ học thế hệ mới hoàn toàn có thể mở ra thời kỳ phát triển thứ ba. Trong cơ học thế hệ mới không còn những khái niệm khó hiểu là lực ma sát và lực quán tính nữa. Thay vào đó là các khái niệm lực cản chuyển động, lực cản vận tốc, và lực cản gia tốc. Những khái niệm mới này mang đầy đủ tính khoa học, có mối quan hệ tương quan với nhau, với lực tác dụng là nguyên nhân tạo ra sự chuyển động, cũng như với những thuộc tính của chuyển động là vận tốc và gia tốc. Tuy rằng cơ học thế hệ mới không phải là một phần của cơ học cổ điển, nhưng ta có thể coi nó như là một phiên bản hiện đại của cơ học cổ điển.
Cơ học thế hệ mới nghiên cứu chuyển động của vật thể trong một môi trường vật chất cụ thể và đồng nhất, nhằm tìm ra mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật, và hai thuộc tính cơ bản của chuyển động là gia tốc và vận tốc.
Như chúng ta đã biết thì công thức F = m.a (trong cơ học cổ điển) không đủ để mô phỏng quá trình chuyển động. Chuyển động của vật luôn có hai thuộc tính cơ bản để mô phỏng là gia tốc và vận tốc, trong khi đó công thức F = m.a mới chỉ đề cập đến gia tốc. Thuộc tính vận tốc chuyển động, cũng giống như gia tốc chuyển động không thể không có mối quan hệ tương quan với lực tác dụng vào vật. Vật có thể chuyển động không có gia tốc, nhưng không thể chuyển động, mà không có vận tốc (vận tốc bằng 0). Vì vậy vấn đề đặt ra là cần tìm ra một phương trình cân bằng đầy đủ hơn, để mô phỏng cân bằng của vật trong quá trình chuyển động, bao gồm mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động, và các thuộc tính cơ bản của chuyển động là gia tốc và vận tốc. Để tìm ra nguyên nhân của chuyển động là do lực tác dụng vào vật, nhân loại đã mất hàng ngàn năm. Hai thuộc tính cơ bản nhất của chuyển động là vận tốc và gia tốc thì không thể nào không có mối liên hệ tương quan với nguyên nhân trực tiếp gây ra chuyển động. Vì vậy mà việc tìm ra mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động với vận tốc và gia tốc chuyển động là rất cần thiết. Và việc tìm ra mối liên hệ lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động với vận tốc và gia tốc cũng vô cùng quan trọng, phải chăng đây cũng được coi là một bước tiến mới của nhân loại, trên con đường chinh phục thế giới vạn vật chuyển động rất huyền diệu và kỳ bí!?
Ta hãy xem xét chuyển động của vật theo quỹ đạo đường thẳng trên mặt đất (coi như mặt đất bằng phẳng, và quỹ đạo chuyển động là đường thẳng). Môi trường chuyển động ở đây là trên mặt đất và có áp suất khí quyển. Ta coi như môi trường chuyển động có tính đồng nhất. Qua xem xét môi trường chuyển động ở đây, ta thấy vật không ở trạng thái hoàn toàn độc lập tự do. Nó chịu một lực từ mặt đất tác dụng lên (là phản lực của trọng lực), và đồng thời chịu áp suất khí quyển. Chính vì vật không ở trạng thái hoàn toàn độc lập tự do, nên ta phải tác dụng một lực đủ lớn (lớn hơn lực cản chuyển động) thì vật mới bắt đầu chuyển động, với một gia tốc tương ứng theo công thức F = m.a. Hãy hình dung việc ta cầm hờ một bó đũa, thì người khác chỉ kéo với một lực rất nhỏ cũng lấy được bó đũa từ tay ta. Nhưng nếu ta cầm chặt bó đũa, thì việc kéo để lấy bó đũa từ tay ta sẽ khó khăn hơn nhiều. Trong trường hợp này, sở dĩ có lực cản chuyển động là do có áp lực từ bàn tay vào bó đũa.
Với trường hợp lực tác dụng không đủ lớn, thì vật vẫn ở trạng thái đứng yên. Lúc này lực tác dụng vào vật luôn tồn tại và cân bằng với một lực, mà ta gọi tên là lực cản chuyển động (trong cơ học cổ điển, quan niệm đây là lực ma sát nghỉ). Lực cản chuyển động có nguồn gốc là phản lực từ mặt đất tác dụng trở lại vào vật. Chúng ta biết là khi chưa có lực tác dụng vào vật, thì phản lực của trọng lực tác dụng vào vật theo hướng từ dưới lên (ngược với chiều của gia tốc trọng trường). Nhưng khi có lực tác dụng vào vật, thì phản lực từ mặt đất tác dụng vào vật sẽ chếch một góc nào đó, so với phương chiều của gia tốc trọng trường. Phân tích phản lực chếch một góc nào đó so với phương chiều của gia tốc trọng trường, ta có hai thành phần lực, một là phản lực của trọng lực và một là lực cản chuyển động. Lực cản chuyển động lớn nhất (tối đa) phụ thuộc vào độ chắc chắn của liên kết giữa vật với mặt đất, và tỉ lệ thuận với độ lớn của trọng lực.
Kí hiệu lực cản chuyển động là Fc, ta có công thức: Fc = Kc.M.G (1)
Trong đó:
Kc: hệ số cản chuyển động
M: khối lượng của vật
G: gia tốc trọng trường.
Khi vật bắt đầu chuyển động, ta có thêm khái niệm vận tốc chuyển động. Lúc này lực cản chuyển động không còn nữa, nó được thay thế bằng một lực cản khác, gọi tên là lực cản vận tốc (trong cơ học cổ điển gọi đây là lực ma sát động). Như vậy cân bằng của vật thể khi chuyển động với một vận tốc nào đó được thiết lập, với tương quan lực tác dụng vào vật được cân bằng với lực cản vận tốc. Lực cản vận tốc chuyển động của vật tỉ lệ thuận với khối lượng vật, và với vận tốc chuyển động. Đây là dạng chuyển động thẳng đều.
Công thức tính độ lớn lực cản vận tốc: Fv = Kv.M.Vt (2)
Trong đó:
Fv: Lực cản vận tốc
Kv: Hệ số cản vận tốc
M: Khối lượng của vật
Vt: Vận tốc chuyển động tại thời điểm t
Hệ số cản vận tốc được xác định như sau:
Ta xem xét các trường hợp vật chuyển động thẳng đều (gia tốc bằng 0), với độ lớn lực tác dụng vào vật khác nhau là F1 và F2 (F2 > F1). Thực hiện phép đo vận tốc, ta được các vận tốc tương ứng là V1 và V2. Hệ số Kv sẽ được tính theo công thức như sau:
Kv = (F2 – F1)/M.(V2 – V1)
Lực cản vận tốc (Fv) có nguồn gốc giống như nguồn gốc của lực cản chuyển động. Có nghĩa là lực cản vận tốc cũng là một thành phần của phản lực từ mặt đất tác dụng trở lại vào vật, do trong quá trình chuyển động, vật luôn tác dụng vào mặt đất một lực tương ứng (là tổng hợp của ngoại lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động và trọng lực của vật). Ở đây ta coi như lực cản vận tốc chuyển động của vật do không khí là không đáng kể. Do liên kết giữa vật với không khí là liên kết yếu, nên lực cản vận tốc do không khí, so với do mặt đất là rất nhỏ. Vì vậy, để thuận lợi cho việc xem xét nghiên cứu, ta coi như lực cản vận tốc do không khí là không đáng kể.
Giới hạn tối thiểu và tối đa của lực cản vận tốc: Khi vận tốc chuyển động bằng 0, thì lực cản vận tốc cũng bằng 0, đây chính là giới hạn tối thiểu của lực cản vận tốc. Khi lực tác dụng vào vật đủ lớn, sao cho hợp lực của lực tác dụng và trọng lực của vật đủ lớn để có thể phá huỷ liên kết giữa nó và mặt đất, thì khi đó lực cản vận tốc đạt giá trị tối đa.
Ta xét trường hợp khi lực cản vận tốc chưa đạt giá trị tối đa, mà lực tác dụng vào vật lớn hơn lực cản vận tốc (Ở đây ta xem xét lực tác dụng vào vật là không thay đổi). Quan sát ta sẽ thấy vật chuyển động có gia tốc dương, và đây là dạng chuyển động nhanh dần, với gia tốc giảm dần. Đến một thời điểm nào đó vận tốc chuyển động đạt giá trị tối đa, đồng thời gia tốc chuyển động giảm về 0. Trong quá trình chuyển động nhanh dần này, xuất hiện thêm một lực cản đối với chuyển động, ta gọi tên lực này là lực cản gia tốc (kí hiệu là Fa). Lực cản gia tốc này có giá trị độ lớn tương đương với tích số của khối lượng vật và gia tốc chuyển động. Công thức tính độ lớn của lực cản gia tốc: Fa = M.At (3)
Trong đó:
Fa: Lực cản gia tốc
M: Khối lượng vật
At: Gia tốc chuyển động tại thời điểm t
Ta có công thức mô phỏng trạng thái cân bằng của vật trong quá trình chuyển động nhanh dần, với gia tốc giảm dần như sau:
Ft = Fv + Fa (4)
Hay Ft = Kv.M.Vt + M.At (5)
Mô tả quá trình chuyển động của vật từ thời điểm T0 đến T1 như sau:
T0 là thời điểm vật bắt đầu chuyển động (lúc này vận tốc bằng 0), và T1 là thời điểm vận tốc chuyển động đạt giá trị tối đa (tương ứng với gia tốc bằng 0).
Tại thời điểm T0, thời điểm vật bắt đầu chuyển động, ta có phương trình F0 = M.A0. Đây là phương trình giống như trong cơ học cổ điển. Thời điểm này vật có gia tốc chuyển động lớn nhất, nhưng vận tốc chuyển động bằng 0.
Tại thời điểm T1, thời điểm mà vật có vận tốc đạt giá trị tối đa, và gia tốc giảm về 0, ta có phương trình cân bằng F1 = Kv.M.V1. Đây là phương trình cân bằng của vật ở trạng thái chuyển động thẳng đều. Phương trình này cho ta thấy lực tác dụng vào vật luôn luôn được cân bằng với lực cản vận tốc.
Từ thời điểm T0 đến T1 vật chuyển động nhanh dần, với độ lớn gia tốc giảm dần (vận tốc tăng đồng thời với gia tốc giảm dần), ta có công thức mô phỏng trạng thái cân bằng của vật trong quá trình chuyển động như công thức (5) đã nêu ở trên. Quá trình chuyển động này diễn ra với vận tốc chuyển động tăng dần đến giá trị tối đa, đồng thời gia tốc chuyển động giảm dần về 0.
Nguồn gốc của lực cản gia tốc (Fa).
Do vật chuyển động trong môi trường áp suất khí quyển, nên khi nó chuyển động với một gia tốc nào đó, thì thông thường là áp lực do áp suất khí quyển tác dụng vào nó theo chiều gia tốc bị suy giảm một phần. Chính do có sự suy giảm một phần của áp suất khí quyển đó mà lực cản gia tốc được tạo ra. Ta cũng có thể nói phần áp lực bị suy giảm đó là nguyên nhân trực tiếp để tạo ra chuyển động có gia tốc của vật thể. Còn phần ngoại lực tác dụng vào vật thể lớn hơn lực cản vận tốc (Fv, nếu có) chỉ đóng vai trò là nguyên nhân gián tiếp. Nghĩa là nó chỉ đóng vai trò để cân bằng với lực cản gia tốc mà thôi. Tóm lại, tổng áp lực do áp suất khí quyển tác dụng vào vật theo chiều ngược với chiều của gia tốc chuyển động, chính là nguồn gốc của lực cản gia tốc.
Giới hạn tối thiểu và tối đa của lực cản gia tốc: Do lực cản gia tốc có nguồn gốc từ áp suất khí quyển, nên nó có giới hạn tối thiểu và tối đa. Khi gia tốc chuyển động bằng 0 thì lực cản gia tốc bằng 0, và đây là giới hạn tối thiểu. Giới hạn tối đa của lực cản gia tốc được tính bằng tổng áp lực khí quyển tác dụng vào vật, theo chiều ngược với chiều của gia tốc chuyển động.
Định luật vạn vật cân bằng 2
Một vật chuyển động trong một môi trường vật chất có áp lực, thì ở trường hợp phổ biến, lực tác dụng vào vật góp phần tạo ra sự chuyển động đó, luôn luôn được cân bằng với lực cản vận tốc và lực cản gia tốc. Công thức cân bằng như sau:
Ft = Fv + Fa hay Ft = Kv.M.Vt + M.At Trong đó:
Ft: Lực tác dụng vào vật tại thời điểm t
Kv: Hệ số cản vận tốc
M: Khối lượng vật
Vt: Vận tốc chuyển động tại thời điểm t
At: Gia tốc chuyển động tại thời điểm t
Hệ quả Định luật vạn vật cân bằng 2: Quy luật mức tăng vận tốc giảm dần
Quy luật mức tăng vận tốc giảm dần là một trong những quy luật vật lý có tính phổ biến nhất. Ta coi mặt đất là bằng phẳng, và chuyển động trên mặt đất là chuyển động theo quỹ đạo đường thẳng. Nếu ta tác dụng một lực làm cho vật chuyển động nhanh dần trên mặt đất, mà giữ nguyên độ lớn của lực tác dụng, thì chuyển động đó tuân theo quy luật mức tăng vận tốc giảm dần, cho đến khi vận tốc đạt giá trị tối đa (mức tăng vận tốc có xu hướng giảm dần về 0).
Ví dụ: Ta tác dụng một lực kéo có độ lớn không thay đổi và đủ để một đoàn tàu cao tốc chuyển động nhanh dần cho đến khi đạt vận tốc tối đa là 150km/s, thì quá trình chuyển động nhanh dần đó tuân theo quy luật mức tăng vận tốc giảm dần. Quá trình mức tăng vận tốc giảm dần của đoàn tàu, có thể được mô phỏng như sau: Sau thời gian giây thứ nhất, kể từ khi đoàn tàu bắt đầu chuyển động, vận tốc tàu tăng từ 0 lên đến 30km/s, sau giây thứ hai thì tăng từ 30 lên 57km/s, sau giây thứ ba thì tăng từ 57 lên 79km/s,.. cho đến khi vận tốc đạt giá trị tối đa là 150km/s. Ta có mức tăng vận tốc thứ nhất là 30km/s, mức tăng thứ hai là 27km/s, mức tăng thứ ba là 22km/s,..Điều này có nghĩa là qua quan sát chuyển động nhanh dần của đoàn tàu, ta sẽ thấy sau những khoảng thời gian bằng nhau, thì giá trị độ lớn vận tốc tăng lên (mức tăng vận tốc) có xu hướng giảm dần, cho đến khi vận tốc không tăng thêm nữa (khi đó vận tốc đạt giá trị tối đa).
Nếu mức tăng vận tốc không giảm dần thì sao? Xin thưa là nếu như đường sắt có thể dài đến vô cùng, ta chỉ cần tác dụng một lực sao cho đoàn tàu có thể chuyển động nhanh dần, và với vận tốc không ngừng tăng lên, ta có thể hình dung khi thời gian chuyển động đủ lớn, đoàn tàu sẽ có vận tốc chuyển động là vô cùng lớn.
Hà Nội, ngày 09/02/2023
Tg
KNH

Định luật II Niu-tơn dưới góc nhìn kinh tế học
và sự ra đời của thuyết “Cơ học thế hệ mới”
1. Định luật II Niu-tơn dưới góc nhìn kinh tế học và Định luật vạn vật cân bằng 1
Định luật II Niu-tơn được phát biểu như sau:
Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Công thức: a =F/m, hay F = m.a
Trong đó: F là lực tác dụng (N); m là khối lượng (kg); a là gia tốc (m/s2)
Nhìn vào công thức trên, ta hiểu rằng khi đang đứng yên mà có ngoại lực tác động vào vật, thì vật có thiên hướng chuyển trạng thái từ đứng yên sang chuyển động với một gia tốc nào đó. Câu hỏi thú vị đặt ra ở đây là khi vật đã chuyển sang trạng thái chuyển động với một gia tốc nào đó, tương ứng với công thức F = m.a, thì ngoại lực tác dụng vào vật có còn tồn tại như khi nó đang đứng yên hay không?
Để trả lời câu hỏi này ta hãy dùng khoa học kinh tế, dùng ánh sáng kinh tế học để soi sáng vấn đề. Ta giả lập một thị trường mua bán với F là số lượng tiền (đồng), m là giá thóc (giá cả hàng hoá), và a là số lượng thóc, với số lượng tiền F có thể mua được (kg). Công thức trao đổi tương đương ở đây là F = a.m. Bây giờ giả thử ta có lượng tiền F, và ta xâm nhập thị trường đó để mua số lượng thóc a.m, thì điều gì sẽ sảy ra vậy? Xin thưa đó là trước khi mua thóc ta có tiền, nhưng sau khi mua thóc thì ta chỉ có thóc, chứ tiền thì không còn nữa. Điều này cho ta thấy ta không thể đồng thời có cả hai thứ, vừa có thóc lại vừa có tiền. Cụ thể nếu F là 10 đồng, m là 2 đồng/kg thóc, thì a là 5kg thóc. Ta đem 10 đồng đi mua 5kg thóc, thì trước khi mua ta có 10 đồng, và sau khi mua ta có 5kg thóc. Nghĩa là ta chỉ có thể có 10 đồng hoặc 5kg thóc, chứ không thể vừa có đồng thời cả hai.
Đem triết lý mua bán (trao đổi tiền – hàng) này soi chiếu vào công thức F = m.a của định luật II Niu-tơn, ta có thể nhận ra khi vật còn đứng yên thì còn có lực F tác dụng vào vật, nhưng khi vật đã chuyển động với gia tốc a, thì lực F không còn tồn tại nữa. Nghĩa là khi vật đứng yên thì ta có lực F (là lực đơn hay tổng hợp lực) tác dụng vào vật, còn khi vật chuyển động có gia tốc thì ta không còn lực F nữa. Điều này cũng lý giải cho câu thành ngữ nói về việc chặt củi: “Dao sắc không bằng chắc kê”: nếu ta không kê chắc, để thanh củi có thể chuyển động khi dùng dao chặt nó, thì sẽ tốn nhiều công sức hơn, do lực của dao tác dụng vào thanh củi di chuyển đã bị suy giảm đi rất nhiều. Có thể nói lực F gây ra chuyển động gia tốc của vật, nhưng không còn tác dụng vào vật khi nó chuyển động gia tốc, là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học vật lý. Một khi bí ẩn này được khám phá, thì một phần thế giới mới của khoa học vật lý cũng được mở ra. Phần thế giới mới được mở ra đó, chính là sự ra đời của thuyết “Cơ học thế hệ mới”. Từ bí ẩn khoa học được khám phá này, ta có thể tiên đoán trên thực tế không có lực quán tính, và phát biểu định luật cân bằng 1 như sau:
Định luật vạn vật cân bằng 1
Một lực được coi là nguyên nhân trực tiếp tạo ra chuyển động gia tốc, sẽ đồng thời mất đi khi vật bắt đầu chuyển động tương ứng với gia tốc đó. Nói cách khác thì độ lớn của lực tác dụng vào vật luôn có xu hướng trao đổi thành chuyển động gia tốc của vật. Công thức trao đổi ở đây là:
F = M.A trong đó:
F : Lực tác dụng vào vật, là nguyên nhân trực tiếp tạo ra chuyển động gia tốc
M: Khối lượng vật
A: Gia tốc chuyển động
2. Thuyết “Cơ học thế hệ mới” với định luật vạn vật cân bằng 2
Cơ học thế hệ mới không phải là một phần của thuyết “Cơ học cổ điển”, và càng không phải là một phần của thuyết “Cơ học lượng tử”. Thế giới đã có cơ học cổ điển là số 1, và cơ học lượng tử là số 2, thì việc có thêm một thuyết cơ học thứ 3 là cơ học thế hệ mới cũng không có gì đáng ngạc nhiên. Nếu như cơ học cổ điển là dấu mốc mở ra thời kỳ phát triển thứ nhất của nhân loại, và cơ học lượng tử mở ra thời kỳ phát triển thứ hai, thì cơ học thế hệ mới hoàn toàn có thể mở ra thời kỳ phát triển thứ ba. Trong cơ học thế hệ mới không còn những khái niệm khó hiểu là lực ma sát và lực quán tính nữa. Thay vào đó là các khái niệm lực cản chuyển động, lực cản vận tốc, và lực cản gia tốc. Những khái niệm mới này mang đầy đủ tính khoa học, có mối quan hệ tương quan với nhau, với lực tác dụng là nguyên nhân tạo ra sự chuyển động, cũng như với những thuộc tính của chuyển động là vận tốc và gia tốc. Tuy rằng cơ học thế hệ mới không phải là một phần của cơ học cổ điển, nhưng ta có thể coi nó như là một phiên bản hiện đại của cơ học cổ điển.
Cơ học thế hệ mới nghiên cứu chuyển động của vật thể trong một môi trường vật chất cụ thể và đồng nhất, nhằm tìm ra mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật, và hai thuộc tính cơ bản của chuyển động là gia tốc và vận tốc.
Như chúng ta đã biết thì công thức F = m.a (trong cơ học cổ điển) không đủ để mô phỏng quá trình chuyển động. Chuyển động của vật luôn có hai thuộc tính cơ bản để mô phỏng là gia tốc và vận tốc, trong khi đó công thức F = m.a mới chỉ đề cập đến gia tốc. Thuộc tính vận tốc chuyển động, cũng giống như gia tốc chuyển động không thể không có mối quan hệ tương quan với lực tác dụng vào vật. Vật có thể chuyển động không có gia tốc, nhưng không thể chuyển động, mà không có vận tốc (vận tốc bằng 0). Vì vậy vấn đề đặt ra là cần tìm ra một phương trình cân bằng đầy đủ hơn, để mô phỏng cân bằng của vật trong quá trình chuyển động, bao gồm mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động, và các thuộc tính cơ bản của chuyển động là gia tốc và vận tốc. Để tìm ra nguyên nhân của chuyển động là do lực tác dụng vào vật, nhân loại đã mất hàng ngàn năm. Hai thuộc tính cơ bản nhất của chuyển động là vận tốc và gia tốc thì không thể nào không có mối liên hệ tương quan với nguyên nhân trực tiếp gây ra chuyển động. Vì vậy mà việc tìm ra mối liên hệ tương quan giữa lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động với vận tốc và gia tốc chuyển động là rất cần thiết. Và việc tìm ra mối liên hệ lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động với vận tốc và gia tốc cũng vô cùng quan trọng, phải chăng đây cũng được coi là một bước tiến mới của nhân loại, trên con đường chinh phục thế giới vạn vật chuyển động rất huyền diệu và kỳ bí!?
Ta hãy xem xét chuyển động của vật theo quỹ đạo đường thẳng trên mặt đất (coi như mặt đất bằng phẳng, và quỹ đạo chuyển động là đường thẳng). Môi trường chuyển động ở đây là trên mặt đất và có áp suất khí quyển. Ta coi như môi trường chuyển động có tính đồng nhất. Qua xem xét môi trường chuyển động ở đây, ta thấy vật không ở trạng thái hoàn toàn độc lập tự do. Nó chịu một lực từ mặt đất tác dụng lên (là phản lực của trọng lực), và đồng thời chịu áp suất khí quyển. Chính vì vật không ở trạng thái hoàn toàn độc lập tự do, nên ta phải tác dụng một lực đủ lớn (lớn hơn lực cản chuyển động) thì vật mới bắt đầu chuyển động, với một gia tốc tương ứng theo công thức F = m.a. Hãy hình dung việc ta cầm hờ một bó đũa, thì người khác chỉ kéo với một lực rất nhỏ cũng lấy được bó đũa từ tay ta. Nhưng nếu ta cầm chặt bó đũa, thì việc kéo để lấy bó đũa từ tay ta sẽ khó khăn hơn nhiều. Trong trường hợp này, sở dĩ có lực cản chuyển động là do có áp lực từ bàn tay vào bó đũa.
Với trường hợp lực tác dụng không đủ lớn, thì vật vẫn ở trạng thái đứng yên. Lúc này lực tác dụng vào vật luôn tồn tại và cân bằng với một lực, mà ta gọi tên là lực cản chuyển động (trong cơ học cổ điển, quan niệm đây là lực ma sát nghỉ). Lực cản chuyển động có nguồn gốc là phản lực từ mặt đất tác dụng trở lại vào vật. Chúng ta biết là khi chưa có lực tác dụng vào vật, thì phản lực của trọng lực tác dụng vào vật theo hướng từ dưới lên (ngược với chiều của gia tốc trọng trường). Nhưng khi có lực tác dụng vào vật, thì phản lực từ mặt đất tác dụng vào vật sẽ chếch một góc nào đó, so với phương chiều của gia tốc trọng trường. Phân tích phản lực chếch một góc nào đó so với phương chiều của gia tốc trọng trường, ta có hai thành phần lực, một là phản lực của trọng lực và một là lực cản chuyển động. Lực cản chuyển động lớn nhất (tối đa) phụ thuộc vào độ chắc chắn của liên kết giữa vật với mặt đất, và tỉ lệ thuận với độ lớn của trọng lực.
Kí hiệu lực cản chuyển động là Fc, ta có công thức: Fc = Kc.M.G (1)
Trong đó:
Kc: hệ số cản chuyển động
M: khối lượng của vật
G: gia tốc trọng trường.
Khi vật bắt đầu chuyển động, ta có thêm khái niệm vận tốc chuyển động. Lúc này lực cản chuyển động không còn nữa, nó được thay thế bằng một lực cản khác, gọi tên là lực cản vận tốc (trong cơ học cổ điển gọi đây là lực ma sát động). Như vậy cân bằng của vật thể khi chuyển động với một vận tốc nào đó được thiết lập, với tương quan lực tác dụng vào vật được cân bằng với lực cản vận tốc. Lực cản vận tốc chuyển động của vật tỉ lệ thuận với khối lượng vật, và với vận tốc chuyển động. Đây là dạng chuyển động thẳng đều.
Công thức tính độ lớn lực cản vận tốc: Fv = Kv.M.Vt (2)
Trong đó:
Fv: Lực cản vận tốc
Kv: Hệ số cản vận tốc
M: Khối lượng của vật
Vt: Vận tốc chuyển động tại thời điểm t
Hệ số cản vận tốc được xác định như sau:
Ta xem xét các trường hợp vật chuyển động thẳng đều (gia tốc bằng 0), với độ lớn lực tác dụng vào vật khác nhau là F1 và F2 (F2 > F1). Thực hiện phép đo vận tốc, ta được các vận tốc tương ứng là V1 và V2. Hệ số Kv sẽ được tính theo công thức như sau:
Kv = (F2 – F1)/M.(V2 – V1)
Lực cản vận tốc (Fv) có nguồn gốc giống như nguồn gốc của lực cản chuyển động. Có nghĩa là lực cản vận tốc cũng là một thành phần của phản lực từ mặt đất tác dụng trở lại vào vật, do trong quá trình chuyển động, vật luôn tác dụng vào mặt đất một lực tương ứng (là tổng hợp của ngoại lực tác dụng vào vật gây ra chuyển động và trọng lực của vật). Ở đây ta coi như lực cản vận tốc chuyển động của vật do không khí là không đáng kể. Do liên kết giữa vật với không khí là liên kết yếu, nên lực cản vận tốc do không khí, so với do mặt đất là rất nhỏ. Vì vậy, để thuận lợi cho việc xem xét nghiên cứu, ta coi như lực cản vận tốc do không khí là không đáng kể.
Giới hạn tối thiểu và tối đa của lực cản vận tốc: Khi vận tốc chuyển động bằng 0, thì lực cản vận tốc cũng bằng 0, đây chính là giới hạn tối thiểu của lực cản vận tốc. Khi lực tác dụng vào vật đủ lớn, sao cho hợp lực của lực tác dụng và trọng lực của vật đủ lớn để có thể phá huỷ liên kết giữa nó và mặt đất, thì khi đó lực cản vận tốc đạt giá trị tối đa.
Ta xét trường hợp khi lực cản vận tốc chưa đạt giá trị tối đa, mà lực tác dụng vào vật lớn hơn lực cản vận tốc (Ở đây ta xem xét lực tác dụng vào vật là không thay đổi). Quan sát ta sẽ thấy vật chuyển động có gia tốc dương, và đây là dạng chuyển động nhanh dần, với gia tốc giảm dần. Đến một thời điểm nào đó vận tốc chuyển động đạt giá trị tối đa, đồng thời gia tốc chuyển động giảm về 0. Trong quá trình chuyển động nhanh dần này, xuất hiện thêm một lực cản đối với chuyển động, ta gọi tên lực này là lực cản gia tốc (kí hiệu là Fa). Lực cản gia tốc này có giá trị độ lớn tương đương với tích số của khối lượng vật và gia tốc chuyển động. Công thức tính độ lớn của lực cản gia tốc: Fa = M.At (3)
Trong đó:
Fa: Lực cản gia tốc
M: Khối lượng vật
At: Gia tốc chuyển động tại thời điểm t
Ta có công thức mô phỏng trạng thái cân bằng của vật trong quá trình chuyển động nhanh dần, với gia tốc giảm dần như sau:
Ft = Fv + Fa (4)
Hay Ft = Kv.M.Vt + M.At (5)
Mô tả quá trình chuyển động của vật từ thời điểm T0 đến T1 như sau:
T0 là thời điểm vật bắt đầu chuyển động (lúc này vận tốc bằng 0), và T1 là thời điểm vận tốc chuyển động đạt giá trị tối đa (tương ứng với gia tốc bằng 0).
Tại thời điểm T0, thời điểm vật bắt đầu chuyển động, ta có phương trình F0 = M.A0. Đây là phương trình giống như trong cơ học cổ điển. Thời điểm này vật có gia tốc chuyển động lớn nhất, nhưng vận tốc chuyển động bằng 0.
Tại thời điểm T1, thời điểm mà vật có vận tốc đạt giá trị tối đa, và gia tốc giảm về 0, ta có phương trình cân bằng F1 = Kv.M.V1. Đây là phương trình cân bằng của vật ở trạng thái chuyển động thẳng đều. Phương trình này cho ta thấy lực tác dụng vào vật luôn luôn được cân bằng với lực cản vận tốc.
Từ thời điểm T0 đến T1 vật chuyển động nhanh dần, với độ lớn gia tốc giảm dần (vận tốc tăng đồng thời với gia tốc giảm dần), ta có công thức mô phỏng trạng thái cân bằng của vật trong quá trình chuyển động như công thức (5) đã nêu ở trên. Quá trình chuyển động này diễn ra với vận tốc chuyển động tăng dần đến giá trị tối đa, đồng thời gia tốc chuyển động giảm dần về 0.
Nguồn gốc của lực cản gia tốc (Fa).
Do vật chuyển động trong môi trường áp suất khí quyển, nên khi nó chuyển động với một gia tốc nào đó, thì thông thường là áp lực do áp suất khí quyển tác dụng vào nó theo chiều gia tốc bị suy giảm một phần. Chính do có sự suy giảm một phần của áp suất khí quyển đó mà lực cản gia tốc được tạo ra. Ta cũng có thể nói phần áp lực bị suy giảm đó là nguyên nhân trực tiếp để tạo ra chuyển động có gia tốc của vật thể. Còn phần ngoại lực tác dụng vào vật thể lớn hơn lực cản vận tốc (Fv, nếu có) chỉ đóng vai trò là nguyên nhân gián tiếp. Nghĩa là nó chỉ đóng vai trò để cân bằng với lực cản gia tốc mà thôi. Tóm lại, tổng áp lực do áp suất khí quyển tác dụng vào vật theo chiều ngược với chiều của gia tốc chuyển động, chính là nguồn gốc của lực cản gia tốc.
Giới hạn tối thiểu và tối đa của lực cản gia tốc: Do lực cản gia tốc có nguồn gốc từ áp suất khí quyển, nên nó có giới hạn tối thiểu và tối đa. Khi gia tốc chuyển động bằng 0 thì lực cản gia tốc bằng 0, và đây là giới hạn tối thiểu. Giới hạn tối đa của lực cản gia tốc được tính bằng tổng áp lực khí quyển tác dụng vào vật, theo chiều ngược với chiều của gia tốc chuyển động.
Định luật cân bằng 2
Một vật chuyển động trong một môi trường vật chất có áp lực, thì ở trường hợp phổ biến, lực tác dụng vào vật góp phần tạo ra sự chuyển động đó, luôn luôn được cân bằng với lực cản vận tốc và lực cản gia tốc. Công thức cân bằng như sau:
Ft = Fv + Fa hay Ft = Kv.M.Vt + M.At Trong đó:
Ft: Lực tác dụng vào vật tại thời điểm t
Kv: Hệ số cản vận tốc
M: Khối lượng vật
Vt: Vận tốc chuyển động tại thời điểm t
At: Gia tốc chuyển động tại thời điểm t
3. Quy luật mức tăng vận tốc giảm dần
Quy luật mức tăng vận tốc giảm dần là một trong những quy luật vật lý có tính phổ biến nhất. Ta coi mặt đất là bằng phẳng, và chuyển động trên mặt đất là chuyển động theo quỹ đạo đường thẳng. Nếu ta tác dụng một lực làm cho vật chuyển động nhanh dần trên mặt đất, mà giữ nguyên độ lớn của lực tác dụng, thì chuyển động đó tuân theo quy luật mức tăng vận tốc giảm dần, cho đến khi vận tốc đạt giá trị tối đa (mức tăng vận tốc có xu hướng giảm dần về 0).
Ví dụ: Ta tác dụng một lực kéo có độ lớn không thay đổi và đủ để một đoàn tàu cao tốc chuyển động nhanh dần cho đến khi đạt vận tốc tối đa là 150km/s, thì quá trình chuyển động nhanh dần đó tuân theo quy luật mức tăng vận tốc giảm dần. Quá trình mức tăng vận tốc giảm dần của đoàn tàu, có thể được mô phỏng như sau: Sau thời gian giây thứ nhất, kể từ khi đoàn tàu bắt đầu chuyển động, vận tốc tàu tăng từ 0 lên đến 30km/s, sau giây thứ hai thì tăng từ 30 lên 57km/s, sau giây thứ ba thì tăng từ 57 lên 79km/s,.. cho đến khi vận tốc đạt giá trị tối đa là 150km/s. Ta có mức tăng vận tốc thứ nhất là 30km/s, mức tăng thứ hai là 27km/s, mức tăng thứ ba là 22km/s,..Điều này có nghĩa là qua quan sát chuyển động nhanh dần của đoàn tàu, ta sẽ thấy sau những khoảng thời gian bằng nhau, thì giá trị độ lớn vận tốc tăng lên (mức tăng vận tốc) có xu hướng giảm dần, cho đến khi vận tốc không tăng thêm nữa (khi đó vận tốc đạt giá trị tối đa).
Nếu mức tăng vận tốc không giảm dần thì sao? Xin thưa là nếu như đường sắt có thể dài đến vô cùng, ta chỉ cần tác dụng một lực sao cho đoàn tàu có thể chuyển động nhanh dần, và với vận tốc không ngừng tăng lên, ta có thể hình dung khi thời gian chuyển động đủ lớn, đoàn tàu sẽ có vận tốc chuyển động là vô cùng lớn.
Hà Nội, ngày 31/01/2023
Tg
KNH