CHƯƠNG 2: ÐỘNG LỰC HỌC pps

CHƯƠNG 2 ÐỘNG LỰC HỌC
I. ÐỊNH LUẬT 1 NEWTON

1. Nội dung định luật

2. Hệ qui chiếu quán tính
3. Nguyên lý tương đối Galileo.
II. ÐỊNH LUẬT 2 NEWTON
1. Sự va chạm của hai vật.
2. Khối lượng quán tính.
3. Khái niệm về xung lượng.
4. Khái niệm về lực.
5. Phát biểu định luật 2 Newton.
III. Đ Ị
NHLUẬT 3 NEWTON
IV. CÁC LỰC TRONG TỰ NHIÊN
1. Lực đàn hồi
2. Lực ma sát
V. ỨNG DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC
NEWTON
VI. CÁC LỰC QUÁN TÍNH
1. Lực quán tính ly tâm
2. Lực Corialis
VII. CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Công
2. Công suất
3. Đ
ộngnăng và định lý động năng
4. Trường thế và thế năng
5. Cơ năng và sự bảo toàn cơ năng
I. ÐỊNH LUẬT I NEWTON

1. Nội dung định luật
TOP
Vật tự do: Vật tự do là một vật không chịu bất kỳ lực tác dụng nào từ các vật kháïc.
Trong thực tế không có vật hoàn toàn tự do, người ta có thể coi những vật chịu
những lực tác dụng rất nhỏ từ những vật khác, là những vật tự do.
Với khái niệm vật tự do, định luật I của Newton có thể phát biểu như sau:
Vật tự do thì hoặc mãi mãi đứng yên hoặc mãi mãi chuyển động thẳng đều.
Về phương diện toán học, véctơ vận tốc của vật tự do được biểu diễn là:
Ðịnh luật I Newton nói lên tính chất quán tính của vật thể, đó là tính chất bảo toàn
trạng thái chuyển động (Khi đứng yên thì nó không muốn chuyển động và khi
chuyển động thì không muốn thay đổi vận tốc hoặc dừng lại); Vì vậy định luật I
Newton còn được gọi là định luật quán tính. Hãîy tưởng tượng bạn đang ngồi trên
một xe ôtô. Khi xe bắt đầu chạy, bạn và những hành khách khác bị ngã về phía sau.
Khi xe đột ngột dừng lại thì bạn bị chúi về phía trước. Khi xe lượn vòng sang phải
thì bạn bị nghiêng về phía trái. Hiện tượng này là do bạn và những hành khách
khác đều có quán tính nên vẫn giữ nguyên trạng thái chuyển động cũ.
2. Hệ qui chiếu quán tính
TOP
Hệ qui chiếu quán tính là hệ qui chiếu gắn lên các vật tự do hay đó là hệ qui
chiếu trong đó định luật I Newton được nghiệm đúng. Vì không thể có vật tự do
hoàn toàn nên không có hệ qui chiếu quán tính hoàn toàn, song người ta có thể chọn
hệ qui chiếu gần đúng là hệ qui chiếu quán tính. Hệ qui chiếu có gốc tại mặt trời và
3 trục hướng về 3 ngôi sao xác định được gọi là hệ qui chiếu quán tính Copernie bởi
vì mặt trời chuyển động với vận tốc thay đổi rất chậm trong thiên hà. Xét một cách
gần đúng, cũng có thể xem hệ qui chiếu gắn với một điểm trên tráïi đất là hệ qui
chiếu quán tính, mặc dù điểm đó vừa quay quanh mặt trời vừa tự xoay quanh trục
của nó.
Ngoài hệ qui chiếu quán tính, đôi khi người ta còn sử dụng các hệ qui chiếu
không quán tính, đó là hệ qui chiếu gắn với những vật chuyển động có gia tốc không
đổi hoặc thay đổi theo thời gian.

3. Nguyên lý tương đối Galileo.
TOP
Các thí nghiệm của Galileo đã dẫn đến một nguyên lý vô cùng quan trọng trong tự
nhiên được phát biểu là: Mọi hệ qui chiếu quán tính đều tương đương nhau về
phương diện cơ học. Ý nghĩa thực tiển của nguyên lý nầy là mọi hiện tượng vật lý
đều xảy ra hoàn toàn như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính.
Nguyên lý trên có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm sau: Cho những
giọt nước rơi xuống sàn từ một cái cốc treo trên trần khoang tàu. Trong cả hai
trường hợp tàu đứng yên hay chuyển động với vận tốc không đổi thì những giọt
nước cũng rơi thẳng đứng, không phải vì con tàu đang chuyển động mà chúng lại
rơi lệch về phía cuối tàu.
Vậy với các thí nghiệm cơ học, chúng ta không thể phân biệt hệ qui chiếu quán tính
này với hệ qui chiếu quán tính khác. Khi có 2 hệ qui chiếu chuyển động thẳng đều
với nhau có thể giả thiết một hệ đứng yên còn một hệ chuyển động đều so với hệ thứ
nhất.
Lưu ý: Quỹ đạo của cùng một chuyển động có thể sẽ khác nhau trong những
hệ qui chiếu quán tính khác nhau. Trong ví dụ ở trên, nếu ta đứng trong con tàu để
quan sát sẽ thấy giọt nước rơi theo phương thẳng đứng, nếu ta đứng trên bờ quan
sát thì thấy giọt nước trên tàu rơi theo quỹ đạo cong.
Công thức cộng vận tốc
Phát biểu nguyên lý cộng vận tốc của Galileo: Vận tốc của một chất điểm
trong một hệ qui chiếu quán tính K sẽ bằng vận tốc của nó trong một hệ qui chiếu
quán tính K nào đó cộng với vận tốc của hệ qui chiếu K( so với hệ qui chiếu K.
Một cách tổng quát :
Khi sử dụng công thức này người ta đã giả thuyết rằng thời gian trôi giống nhau
trong các hệ qui chiếu. Trên thực tế, khi các hệ qui chiếu quán tính chuyển động
đều với vận tốc tương đối lớn (gần với vận tốc ánh sáng) thì công thức (2.2) không
còn đúng nữa.
II. ÐỊNH LUẬT II NEWTON.
1. Sự va chạm của hai vật

TOP
Theo định luật I Newton, khi một vật thay đổi vận tốc chuyển động thì vật
đó không còn là vật tự do. Lúc đó nó chịu tác dụng của ngoại lực. Nói cách khác, lực
là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chuyển động của vật.
Thực hiện nhiều thí nghiệm va chạm khác nhau, người ta thấy: vận tốc của
các viên bị sau khi va chạm có thể biến đổi cả về phương chiều và độ lớn tùy theo
điều kiện tương tác cụ thể, nhưng độ biến thiên vận tốc của chúng luôn cùng
phương, ngược chiều và thoả một hệ thức chung:
2. Khối lượng quán tính
TOP
Từ biểu thức (2. 6) có thể rút ra một số nhận xét như sau:
3. Khái niệm về xung lượng
TOP
Hai vật có cùng vận tốc nhưng nếu có khối lượng khác nhau thì xung lượng của
chúng sẽ khác nhau, và khi nó va chạm với một viên bi khác nào đó thì chúng sẽ
truyền cho viên bi này những vận tốc khác nhau. Như vậy, xung lượng đặc trưng
đầy đủ cho sự truyền tương tác của các vật với nhau.
4. Khái niệm về lực
TOP
Khi một vật chuyển động chịu tương tác bởi một lực thì vận tốc của vật đó bị biến
đổi và do đó xung lượng của nó cũng thay đổi.
Vậy, lực là một đại lượng véctơ, lực tác dụng lên một chất điểm bằng đạo
hàm của xung lượng chất điểm theo thời gian.
5. Phát biểu định luật 2 Newton
TOP
Phương trình (2.13) được gọi là phương trình cơ bản của động lực học chất
điểm. Nó còn được sử dụng ngay cả khi khối lượng của vật thay đổi.
Lời giải:
Ví dụ 2: Một xe lửa có khối lượng m = 3 tấn đang chuyển động với vận tốc 40 Km/h
thì gặp một đàn cừu đi ngang qua đường ray cách xe lửa 80 m. Tính giá trị của lực

hãm sao cho xe lửa không đụng vào đàn cừu ?
Lời giải:
III. ÐỊNH LUẬT III NEWTON
TOP
Qua thí nghiệm tương tác của 2 viên bi có thể rút ra công thức:

Ðây là công thức của định luật III Newton, được phát biểu như sau :
Hai vật khi tương tác sẽ tác dụng lẫn nhau hai lực có cùng phương nhưng ngược
chiều, cùng độ lớn và có điểm đặt khác nhau.

Như vậy trong tự nhiên, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác, và tương tác chỉ xảy
ra đối với ít nhất là 2 vật, từ đó cho thấy lực trong tự nhiên luôn xuất hiện thành
từng cặp. Mặc dù độ lớn hai lực tác dụng bằng nhau nhưng tác dụng của nó sẽ khác
nhau vì mỗi vật có khối lượng quán tính khác nhau nên gia tốc mỗi vật thu được sẽ
khác nhau.
Ðiều này giải thích tại sao khi xe hơi đụng phải một xe đạp, xe đạp bị hất tung vài
chục mét trong khi xe hơi chỉ lệch đi một vài mét.
IV. CÁC LỰC TRONG TỰ NHIÊN.
TOP
Do lực chỉ xuất hiện thành từng cặp và mỗi cặp có cùng một tính chất như nhau
( được tạo ra từ một tương tác) cho nên người ta phân chia các loại lực thông qua
các dạng tương tác của chúng. Có bốn dạng tương tác chủ yếu:
1-Tương tác hấp hẫn. 2-Tương tác điện từ.
3-Tương tác mạnh. 4-Tương tác yếu.

Tương tác hấp dẫn sẽ được khảo sát riêng ở chương 3. Tương tác điện từ được khảo
sát riêng ở phần 2 về điện từ học. Tương tác mạnh và tương tác yếu sẽ được trình
bày ở phần 3 về cấu trúc nguyên tử và hạt nhân. Trong phạm vi chương này chủ
yếu là phân tích các tính chất của lực đàn hồi và lực ma sát xuất hiện do sự tương
tác điện từ .

1. Lực đàn hồi
TOP
a) Ðiều kiện xuất hiện lực đàn hồi:
Khi một vật bị một lực kéo dãn hay nén lại làm cho vật đó bị biến dạng thì bản thân
vật đó tác dụng một lực đàn hồi lên vật tác dụng nó để buộc vật này trả lại cho nó
hình dạng cũ.
b)Tính chất:
c) Phản lực
d) Lực căng dây treo
2. Lực ma sát
TOP
a) Ðiều kiện xuất hiện
Dạng thứ hai của lực đàn hồi là lực ma sát.
Lực ma sát xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối của 2 hoặc nhiều vật với
nhau. Nếu hai vật chuyển động tiếp xúc là vật rắn người ta gọi đó là lực ma sát khô.
Nếu một hoặc cả hai vật là chất lưu ( gồm chất khí và lỏng) thì được gọi là ma sát
nhớt. Thí dụ ma sát nhớt giữa hai dòng không khí, ma sát nhớt giữa nước chảy
trong ống dẫn, ma sát nhớt giữa lớp dầu và các chi tiết máy.
b) Ðặc điểm
Ðặc điểm của các lực ma sát là luôn luôn có phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc của
2 vật chuyển động tương đối, chiều luôn ngược với chiều chuyển động tương đối. Ðộ
lớn của lực ma sát khô tỷ lệ với phản lực thông qua hệ số ma sát.
c) Ma sát nghỉ và ma sát trượt
Tóm lại : Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi chưa có sự chuyển động tương đối
của 2 vật tiếp xúc nhưng một trong 2 vật đã chịu tác dụng kéo của ngoại lực. Ðộ lớn
của lực ma sát nghỉ thay đổi theo độ lớn của lực kéo F khi lực kéo đạt đến giá trị Fo
nào đó sao cho vật A bắt đầu chuyển động tương đối so với vật B. Người ta nói rằng
lúc này lực ma sát nghỉ đã chuyển sang ma sát trượt. Nhiều thí nghiệm chứng tỏ
rằng:
d) Lực ma sát nhớt

Lực ma sát nhớt có hai dạng tuỳ thuộc vào vận tốc chuyển động tương đối v
của các vật tiếp xúc. Ðôi khi người ta cũng hiểu nó là lực cản của môi trường.
Người ta tìm được công thức xác định độ lớn lực ma sát nhớt khi vận tốc chuyển
động tương đối nhỏ:
e) Vai trò của lực ma sát
- Có hại: Trong các máy đang hoạt động bao giờ cũng xuất hiện ma sát, cản
trở chuyển động làm hao phí năng lượng vô ích. Lúc đó phải làm giảm ma sát. Thực
nghiệm cho thấy ma sát nhớt bao giờ cũng nhỏ hơn ma sát khô nên trong kỹ thuật
người ta thường dùng dầu mỡ để bôi trơn.
- Có lợi: Nhờ có ma sát mà máy móc xe cộ đang hoạt động có thể dùng lại
được, con người, xe cộ mới di chuyển được.
V. ỨNG DỤNG CÁC ÐỊNH LUẬT CƠ HỌC NEWTON.
TOP
Vận dụng các định luật Newton, chúng ta có thể dể dàng giải các bài toán cơ học đa
dạng theo 4 bước cơ bản sau:
Bước 1: Phân tích bản chất các lực tác dụng lên từng vật.
Theo định luật III Newton các lực này chỉ xuất hiện thành từng cặp.
Bước 2: Viết phương trình định luật II Newton cho từng vật cụ thể.
Lưu ý: Nếu hệ có K vật thì sẽ có K phương trình định luật II.
Bước 3: Chọn hệ qui chiếu quán tính và hệ trục tọa độ sao cho bài toán trở
nên đơn giản, chọn chiều chuyển động giả định cho hệ , sau đó, chiếu phương trình
véctơ (2. 21) lên các trục tọa độ để được các phương trình đại số.
Bước 4: Giải hệ các phương trình đại số để tìm các nghiệm số theo yêu cầu của
đề bài, sau đó biện luận ý nghĩa của các giá trị (nếu có giá trị âm), điều này phụ
thuộc vào việc chọn chiều chuyển động giả định.
VI. CÁC LỰC QUÁN TÍNH
TOP

1. Lực quán tính ly tâm
TOP
Lực nầy tác dụng lên vật, không phụ thuộc vào vật đứng yên trong hệ hay đang
chuyển động thẳng đều với hệ.
2. Lực Coriolis (Phần tham khảo)
TOP
Xét chuyển động của các vật trong hệ qui chiếu quay, ngoài lực quán tính ly
tâm còn xuất hiện một lực được gọi là lực Coriolis hoặc lực quán tính Coriolis .
Ta xem ví dụ sau: Một dĩa tròn đặt nằm ngang có thể quay quanh trục thẳng
đứng (hình 2.11a và 2.11b)
VII. CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Công
TOP
a) Công nguyên tố của lực không đổi

b) Công toàn phần:
c) Phương pháp tính công
d) THỨ NGUYÊN VÀ ĐƠN VỊ
2. Công suất
TOP
a) Công suất trung bình và công suất tức thời
Những máy khác nhau có thể thực hiện những công như nhau trong những
thời gian khác nhau. Máy mạnh là máy có khả năng thực hiện công đó trong thời gian
ngắn. Khái niệm công suất đặt trưng cho khả năng rất mạnh khi một máy khi thực hiện
công.
b) Xét mối liên hệ giữa công suất và vận tốc

Công suất bằng tích vô hướng của lực tác dụng nhân với vận tốc. Trong kỹ
thuật khi một máy chạy với công suất tối đa muốn tăng vận tốc thì phải giảm lực kéo

hoặc ngược lại.
c) Thứ nguyên và Ðơn vị công suất