Tại sao vật nặng không rơi nhanh hơn vật nhẹ?

  1. Khoa học

Chỉ dưới tác động của trọng lực thì vật nặng và vật nhẹ rơi nhanh như nhau. Hay nói cách khác gia tốc rơi là như nhau cho mọi vật tại cùng 1 điểm, trên Trái Đất chẳng hạn.

Trong khi, 1 vật có khối lượng lớn có nghĩa lực hấp dẫn tác động qua lại giữa vật đó và Trái Đất sẽ lớn hơn so với một vật nhẹ hơn. Lực tác động khác nhau thì gia tốc phải khác nhau chứ nhỉ?

Từ khóa: 

khối lượng

,

trọng lực

,

khoa học

Ồ, câu hỏi này tự nhiên lại trồi lên sau mấy năm, nên tôi thử trả lời xem có đúng không nhé.

Đầu tiên ta có lực hấp dẫn là F1 = mMG/r^2, theo đó, đúng như bạn nó lực hấp dẫn tác động qua lại giữa vật và Trái Đất là phụ thuộc vào khối lượng của vật. Tuy nhiên, lực tác động khác nhau không có nghĩa là gia tốc sẽ khác nhau, và lực giống nhau cũng không có thể là gia tốc bằng nhau.

Ví dụ như cục bông gòn, bạn thổi một cái là nó bay, nhưng với cục sắt nặng thì dù thổi mạnh cách mấy vẫn không nhúc nhích được. Như vậy, cùng một lực bạn thổi, nhưng gia tốc di chuyển của bông gòn thì lớn còn của cục sắt là bằng 0.

Bởi thế, người ta mới xác định lực tác động thông qua gia tốc bằng công thức F2 = ma. Với F2 chính là hợp lực tác động lên vật.

Nếu vật chỉ bị tác động bởi lực hấp dẫn, tức ta đã loại đi tất cả các lực khác, nghĩa là F2 = F1, cũng tức là ma = mMG/r^2 => a = MG/r^2.

Suy cho cùng thì gia tốc không còn bị phụ thuộc vào khối lượng của vật nữa.

Tái bút: Vì có một số người đề cập đến thuyết tương đối nên tôi cũng nói thêm, Einstein đã chỉ ra công thức F = mMG/r^2 chỉ đúng cho vật chất thông thường, nhưng với những loại vật chất có khối lượng bằng 0 như photon ánh sáng, thì công thức trên không thể áp dụng để tính gia tốc nữa. Bởi giả sử ta áp dụng, thì sẽ rơi vào trường hợp ma = mMG/r^2 với m=0 tức 0a = 0MG/r^2 thì phương trình có vô số nghiệm a.

Chính bởi vì điểm bất hợp lý đó là yếu tố "đau đầu" các nhà vật lý trước kia mà Einstein, người giải đáp được gút mắc đó, trở thành nhà vật lý lý thuyết thiên tài được ca ngợi. Khi loài người bó tay trong việc giải thích thứ gì đó, thì người đầu tiên giải thích được nó hiển nhiên phải là thiên tài.

Trả lời

Ồ, câu hỏi này tự nhiên lại trồi lên sau mấy năm, nên tôi thử trả lời xem có đúng không nhé.

Đầu tiên ta có lực hấp dẫn là F1 = mMG/r^2, theo đó, đúng như bạn nó lực hấp dẫn tác động qua lại giữa vật và Trái Đất là phụ thuộc vào khối lượng của vật. Tuy nhiên, lực tác động khác nhau không có nghĩa là gia tốc sẽ khác nhau, và lực giống nhau cũng không có thể là gia tốc bằng nhau.

Ví dụ như cục bông gòn, bạn thổi một cái là nó bay, nhưng với cục sắt nặng thì dù thổi mạnh cách mấy vẫn không nhúc nhích được. Như vậy, cùng một lực bạn thổi, nhưng gia tốc di chuyển của bông gòn thì lớn còn của cục sắt là bằng 0.

Bởi thế, người ta mới xác định lực tác động thông qua gia tốc bằng công thức F2 = ma. Với F2 chính là hợp lực tác động lên vật.

Nếu vật chỉ bị tác động bởi lực hấp dẫn, tức ta đã loại đi tất cả các lực khác, nghĩa là F2 = F1, cũng tức là ma = mMG/r^2 => a = MG/r^2.

Suy cho cùng thì gia tốc không còn bị phụ thuộc vào khối lượng của vật nữa.

Tái bút: Vì có một số người đề cập đến thuyết tương đối nên tôi cũng nói thêm, Einstein đã chỉ ra công thức F = mMG/r^2 chỉ đúng cho vật chất thông thường, nhưng với những loại vật chất có khối lượng bằng 0 như photon ánh sáng, thì công thức trên không thể áp dụng để tính gia tốc nữa. Bởi giả sử ta áp dụng, thì sẽ rơi vào trường hợp ma = mMG/r^2 với m=0 tức 0a = 0MG/r^2 thì phương trình có vô số nghiệm a.

Chính bởi vì điểm bất hợp lý đó là yếu tố "đau đầu" các nhà vật lý trước kia mà Einstein, người giải đáp được gút mắc đó, trở thành nhà vật lý lý thuyết thiên tài được ca ngợi. Khi loài người bó tay trong việc giải thích thứ gì đó, thì người đầu tiên giải thích được nó hiển nhiên phải là thiên tài.

b có nhầm không nhỉ, trong môi trường không trọng lực thì vật nhẹ hay nặng mới rơi nhanh như nhau chứ

Hay quá bạn. Một lần nữa Einstein lại đúng. Mấy bữa mình cũng thắc mắc tương tự như vậy. Chỉ có điều là về cái lực hấp dẫn là chủ yếu.
Đầu tiên, định luật New-ton nói rằng: trong một hệ quy chiếu quán tính. Nếu không có lực tác động. Một vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên. 
Vậy xét trường hợp 1: 
- Bạn ở trong một thang máy rơi tự do. 
- Trong hệ quy chiếu gắn với cái thang máy, bạn đang đứng yên và cũng không di chuyển. (Lúc này ta tạm quên lực hấp dẫn đi nhé, xem như chưa tìm ra). 
=> Vậy hệ quy chiếu gắn với cái thang máy là hệ quy chiếu quán tính. Có nghĩa thang máy rơi tự do không hề có gia tốc.
Trường hợp 2:
- Bạn ở trong thang máy rơi tự do. Và bạn tìm thấy một công tắc. Công tắc này kích hoạt động cơ đẩy. Lúc này bạn cầm một con lắc trong tay và con lắc chuyển từ trạng thái lơ lửng sang trạng thái hoạt động. Sợi dây bắt đầu căng ra và viên bi sắt với sợi dây tạo thành một đường thẳng có phương cố định.
- Lúc đó đối với bạn (người ở trong thang máy) bắt đầu khó hiểu, vốn chẳng có lực nào tác động lên viên bi. Tại sao nó lại có hiện tượng như vậy. Phải chăng lực ma.
- Bạn nhớ đến lúc còn ở mặt đất. Bạn ở trong cái thang máy đứng yên. Viên bi sắt cũng làm sợi dây thẳng ra như vậy, chỉ có điều phương của sợi dây bạn quen gọi nó là phương thẳng đứng. Và bạn cũng chắc chắn thang máy đang đứng yên chứ không có động cơ đẩy nào cả.
- Rồi bạn bắt đầu thử đặt cả thang máy lên một chiếc xe container, rồi cho chiếc xe chạy với gia tốc a, có phương vuông góc với phương thẳng đứng. Lúc này sợi dây lệch 1 góc với phương thẳng đứng. Cái lực ảo ma đó lại xuất hiện một lần nữa xuất hiện.
Phải chăng trọng lực vốn là lực quán tính, một lực ảo không có thật?
Tại sao ta lại thấy thang máy chuyển động có gia tốc?
Einstein lý giải là do hệ quả của không gian cong.
Cảm ơn bạn đã thắc mắc một câu rất hay. Nhờ đó mình mới hiểu suy luận của Einstein.

Hi hi. mình không nhớ rõ nhưng hồi cấp 2 được học Trọng lượng P=G x M . Trong công thức này thì ta thấy không nói đến yếu tố thơi gian rơi của hai vật , hay độ cao đâu nhỉ.

Ý trên bác nói đúng!

Còn ý dưới bác cũng đúng, nhưng mới đúng một nửa, vì lực hấp dẫn (mà thực tế tên gọi chính xác là Gravity) ở đây không chỉ giữa  vật và trái đất, mà còn là vật đó với các hành tinh khác (và vô số các vật khác), và bằng một cách nào đó các lực này triệt tiêu lẫn nhau. Thường người ta không tính lực hấp dẫn (gravity) khi phân tích lực là vì nó vô cùng phức tạp, và thực chất có thể được lược bỏ để các phân tích đơn giản hơn (nói chung là trong cơ học Newton có thể bỏ qua phân tích gravity).

Còn thực chất, khái niệm về Gravity thuộc về phần lý thuyết cơ học lượng tử, mà đến giờ cũng chưa có khái niệm chính xác về nó (Newton gọi là lực, còn Einstein gọi là đường cong gì đó trong không gian 4 chiều - mình thật sự cũng chẳng hiểu mấy ông này đang nói cái gì nữa :D )

Vấn đề của bạn nằm ở đây: "Lực tác động khác nhau thì gia tốc phải khác nhau chứ nhỉ?"

Thực tế là, lực tác động = gia tốc * khối lượng vật.

Hai vật nặng nhẹ khác nhau thì lực dấp dẫn khác nhau, tuy nhiên khối lượng vật cũng khác nhau theo cùng một tỷ lệ. Cuối cùng, gia tốc lại không đổi.

trọng lực tỉ lệ thuận với khối lượng hay nói cách khác gia tốc = F/m là 1 hằng số .... F1 lớn , m1 lớn , F2 nhỏ, m2 nhỏ nhưng F1/m1 = F2/m2 .

Theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, vật có khối lượng m sẽ bị kéo về gần vật có khối lượng M với gia tốc:

g = GM/ r^2

với G là hằng số hấp dẫn, r là khoảng cách giữa 2 vật.

Như bạn thấy gia tốc trên ko phụ thuộc vào khối lượng của vật mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng của vật kéo nó.