Quán tính là gì? Phát biểu Định luật 1 Newton? Bài tập?

1. Quán tính là gì? 

1.1. Định nghĩa về quán tính:

Quán tính là gì? Quán tính là một tính chất vật lý đặc trưng cho sự cản trở của các vật thể có khối lượng đối với bất kỳ sự thay đổi nào về vận tốc của chúng. Điều này bao gồm những thay đổi về tốc độ hoặc hướng chuyển động của các vật thể. Quán tính là một trong những biểu hiện cơ bản của khối lượng, là một đại lượng định lượng của các hệ vật chất. 

Quán tính có thể được hiểu theo hai cách: quán tính động và quán tính quay. Quán tính động là khả năng của một vật thể duy trì vận tốc của nó khi không có lực tác dụng. Quán tính quay là khả năng của một vật thể duy trì vận tốc góc của nó khi không có momen lực tác dụng. Quán tính được định lượng bằng khối lượng và moment quán tính của vật thể. Các định luật về quán tính được phát biểu bởi Isaac Newton trong cuốn sách Nền tảng toán học của triết học tự nhiên, được công bố vào năm 1687. Theo Newton, một vật thể ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động đều đặn sẽ tiếp tục ở trong trạng thái đó cho đến khi có một lực tác dụng lên nó. Lực này sẽ gây ra sự thay đổi vận tốc của vật thể theo tỷ lệ thuận với khối lượng và theo hướng của lực. Quán tính là một khái niệm cơ bản trong vật lý, giải thích các hiện tượng như chuyển động tròn đều, dao động, va chạm, quỹ đạo và cân bằng.

1.2. Đặc điểm của quán tính:

– Đối tượng giữ nguyên trạng thái chuyển động: Quán tính đề cập đến khả năng của một đối tượng giữ nguyên trạng thái chuyển động (di chuyển hoặc nghỉ yên) cho đến khi có một lực tác động từ bên ngoài.

– Định luật quán tính Newton: Quán tính được miêu tả bởi Định luật quán tính Newton (Định luật thứ nhất của Newton), nói rằng một vật thể sẽ duy trì trạng thái chuyển động hoặc trạng thái nghỉ yên cho đến khi có một lực tác động lên nó.

– Khối lượng và quán tính: Quán tính của một vật thể tăng theo khối lượng của nó. Vật thể có khối lượng lớn hơn sẽ có quán tính lớn hơn, điều này có nghĩa là nó sẽ khó để thay đổi trạng thái chuyển động của nó.

– Không thể thay đổi trạng thái chuyển động một cách tự phát: Nếu không có lực tác động từ bên ngoài, một vật thể sẽ tiếp tục di chuyển với vận tốc không đổi hoặc tiếp tục nghỉ yên.

– Liên quan đến lực tác động: Quán tính chỉ làm thay đổi trạng thái chuyển động của một đối tượng khi có lực tác động từ bên ngoài. Điều này có nghĩa là một lực phải được áp dụng lên đối tượng để thay đổi trạng thái chuyển động của nó.

– Nguyên tắc cơ bản của vật lý: Quán tính là một nguyên tắc cơ bản trong vật lý và đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và dự đoán các hiện tượng vật lý, đặc biệt là trong cơ học và động lực học.

Những đặc điểm trên giúp xác định và mô tả quán tính, một tính chất quan trọng của các đối tượng vật lý trong việc duy trì trạng thái chuyển động của chúng.

1.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quán tính:

Có một số yếu tố ảnh hưởng đến quán tính của một đối tượng:

Khối lượng: Quán tính tăng theo khối lượng của đối tượng. Đối tượng có khối lượng lớn hơn sẽ có quán tính lớn hơn và khó để thay đổi trạng thái chuyển động của nó.

Tốc độ: Quán tính không phụ thuộc vào tốc độ của đối tượng. Điều này có nghĩa là đối tượng sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động của nó nếu không có lực tác động từ bên ngoài, bất kể tốc độ của nó.

Hướng chuyển động: Quán tính không phụ thuộc vào hướng chuyển động của đối tượng. Đối tượng sẽ duy trì trạng thái chuyển động của nó nếu không có lực tác động, dù là di chuyển thẳng, xoay tròn hoặc chuyển động theo bất kỳ hướng nào.

Lực tác động: Quán tính liên quan đến lực tác động từ bên ngoài. Đối tượng sẽ thay đổi trạng thái chuyển động của nó chỉ khi có lực tác động lên nó. Lực tác động có thể là một lực đẩy, lực kéo, lực ma sát, lực hấp dẫn, hay bất kỳ lực nào khác tác động lên đối tượng.

Vật liệu và cấu trúc: Loại vật liệu và cấu trúc của đối tượng cũng có thể ảnh hưởng đến quán tính. Ví dụ, một đối tượng có cấu trúc gọn nhẹ có thể có quán tính thấp hơn so với một đối tượng cùng khối lượng nhưng có cấu trúc khối hơn.

Môi trường: Môi trường xung quanh cũng có thể ảnh hưởng đến quán tính. Ví dụ, một đối tượng di chuyển trong không khí sẽ trải qua sự cản trở từ ma sát không khí, làm giảm quán tính so với khi đối tượng di chuyển trong môi trường không có cản trở.

Những yếu tố trên có thể ảnh hưởng đến quán tính của một đối tượng và quyết định khả năng của nó để duy trì hoặc thay đổi trạng thái chuyển động.

2. Phát biểu Định luật 1 Newton:

2.1. Định luật 1 Newton là gì?

Định luật 1 Newton là định luật về trạng thái tĩnh của vật, phát biểu rằng: “Nếu một vật không chịu tác dụng của bất kỳ lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có tổng hợp bằng 0, thì vật đó sẽ giữ nguyên trạng thái của nó”, nghĩa là nếu vật đang đứng yên thì nó sẽ tiếp tục đứng yên, và nếu vật đang chuyển động thì nó sẽ tiếp tục chuyển động theo độ chuyển động ban đầu.

Định luật này được nhà vật lý học Isaac Newton tìm ra và công bố trong cuốn sách Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên) năm 1687. Định luật này chỉ ra rằng lực không phải là nguyên nhân cơ bản gây ra chuyển động của các vật, mà là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động (thay đổi vận tốc/động lượng của vật).

Ví dụ: Khi bạn ngồi trên xe buýt chuyển động thẳng đều, bạn cảm thấy bình thường như khi đứng yên. Nhưng khi xe buýt phanh gấp hoặc tăng tốc, bạn sẽ cảm thấy bị lùi ra sau hoặc bị kéo về trước. Đó là do có một lực tác dụng lên xe buýt làm thay đổi trạng thái chuyển động của xe, nhưng không có lực nào tác dụng lên bạn, nên bạn sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động ban đầu theo định luật 1 Newton.

– Định luật I Niu Tơn. ( định luật quán tính)

Nếu F→ = 0 thì a→ = 0

⇒ + v = 0 nếu vật đứng yên

+ v = const nếu vật chuyển động thẳng đều

Lưu ý: Nếu vật chịu tác dụng của nhiều lực thì : F→ = Fhl→ = F1→ + F2→ + … + Fn→

2.2. Biểu thức:

∑F = 0 ⇒ dv/dt = 0

Trong đó:

F là tổng các lực tác dụng lên một vật.

v là vận tốc của vật (v là một hằng số).

t là thời gian chuyển động của vật.

2.3. Ứng dụng:

Định luật này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc giải thích và dự đoán chuyển động của các vật trong vật lý, cũng như trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác.

Một số ứng dụng của định luật 1 Newton trong khoa học kỹ thuật là:

– Định luật này cho phép các kỹ sư và kiến trúc sư tính toán và thiết kế các cấu trúc vật lý đáp ứng yêu cầu về sự cân bằng lực để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Ví dụ, khi thiết kế một cây cầu, các kỹ sư phải xem xét các lực tác dụng lên cây cầu như trọng lực, gió, sóng, giao thông,… và đảm bảo rằng tổng các lực này bằng không để cây cầu không bị biến dạng hay sụp đổ .

– Định luật này cũng được sử dụng để giải thích các hiện tượng tự nhiên như tại sao thế giới của chúng ta vẫn đứng yên, tại sao mặt trời, các hành tinh và các vật thể trong không gian không chuyển động,… Điều này là do các vật thể này không chịu tác động của một lực nào hoặc tổng hợp các lực tác động bằng không, do đó chúng giữ nguyên trạng thái của mình theo định luật 1 Newton .

– Định luật này còn được áp dụng trong các thiết bị và máy móc kỹ thuật như xe ô tô, xe đạp, máy bay,… Ví dụ, khi bạn lái xe ô tô và bấm phanh, bạn sẽ cảm thấy mình bị đẩy về phía trước. Điều này là do quán tính của bạn – bạn có xu hướng tiếp tục chuyển động theo chiều của xe – trong khi xe ô tô đã giảm tốc do phanh. Một lực tác động lên bạn và đẩy bạn về phía trước để an toàn dây an toàn trước khi bạn dừng lại cùng với xe.

3. Bài tập vận dụng liên quan:

Câu 1: Câu nào sau đây đúng? Khi một xe buýt tăng tốc đột ngột thì các hành khách

A. Đứng lại ngay

B. Ngả người về phía sau.

C. Chúi người về phía trước.

D. Ngả người sang bên cạnh.

Đáp án: B

Câu 2: Câu nào sau đây là câu đúng?

A. Nếu không có lực tác dụng vào vật thì vật không thể chuyển động được.

B. Không cần có lực tác dụng vào vật thì vật vẫn chuyển động tròn đều được.

C. Lực là nguyên nhân duy trì chuyển động của một vật.

D. Lực là nguyên nhân làm biến đổi chuyển động của một vật.

Đáp án: A

Câu 3: Nếu một vật đang chuyển động có gia tốc mà lực tác dụng lên vật giảm đi thì vật sẽ thu được gia tốc

A. Lớn hơn.

B. Nhỏ hơn.

C. Không thay đổi.

D. Bằng 0.

Đáp án: B

Câu 4: Một hợp lực 1,0 N tác dụng vào một vật có khối lượng 2 kg lúc đầu đứng yên trong khoảng thời gian 2,0 s. Quãng đường mà vật đi được trong khoảng thời gian đó là

A. 0.5 m.

B. 2.0 m.

C. 1.0 m.

D. 4.0 m.

Đáp án: 

Câu 5: Một quả bóng có khối lượng 500g đang nằm trên mặt đất thì bị đá bằng một lực 250N. Nếu thời gian quả bóng tiếp xúc với bàn chân là 0,020 s, thì bóng sẽ bay đi với vận tốc bằng bao nhiêu?

A. 0.01 m/s.

B. 2.5 m/s.

C. 0.1m/s.

D. 10 m/s.

Đáp án: D

Câu 6: Một vật có khối lượng 2.0 kg chuyển động thẳng nhanh dần đều từ trạng thái nghỉ. Vật đi được 80 cm trong 0.50 s. Gia tốc của vật và hợp lực tác dụng vào nó là bao nhiêu?

A. 3.2 m/s2; 6.4 N.

B. 0.64 m/s2; 1.2 N.

C. 6.4 m/s2; 12.8 N.

D. 640 m/s2; 1280 N.

Đáp án: C