khám phá khoa học

[Hải Kim Ngọc]

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.