Thông tin khoa học cơ bản 19/02/2020

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 gia tốc và vận tốc 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 vào vật thể để làm cho vật thể chuyển động, với vận tốc và gia tốc chuyển động, trong quá trình vật thể chuyển động theo quỹ đạo 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 tổng hợp lực từ áp lực do mặt đất tác động trở lại vào vật thể (F_n), và gia tốc chuyển động (a_t).

 Công thức: F₁ = k₁.F_n.a_t

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 tổng hợp lực từ áp lực do mặt đất tác động trở lại vào vật thể (F_n), và vận tốc chuyển động (v_t).

Công thức: F₂ = k₂.F_n.v_t

4.     Phản lực của trọng lực (F_n): Tổng hợp lực từ áp lực do mặt đất tác động trở lại vào vật thể (N).

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_t: Gia tốc chuyển động (m/s²).

 8.    v_t: Vận tốc chuyển động (m/s).

Phát biểu Định luật vạn vật cân bằng:

Giả sử ta có quỹ đạo 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: F = F₁ + F₂

Thay giá trị F₁, và F₂ ta có: F = k₁.F_n.a_t + k₂.F_n.v_t

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.F_n.a_t = k₂.F_n.v_t

- Khi ta ngừng tác dụng lực vào vật thể:

      F₁ = F₂ → k₁.F_n.a_t = k₂.F_n.v_t

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.F_n.a₀

c) Sau thời điểm t₀ vật sẽ chuyển động tăng tốc với gia tốc giảm dần, đến một thời điểm nào đó (t_n) thì gia tốc chuyển động bằng 0, tương ứng vận tốc đạt cực đại. Công thức cân bằng tại thời điểm t_n như sau:

      F = F₂ → F = k₂.F_n.v_n

d) Quy luật tăng vận tốc giảm dần:

 Vật thể chuyển động từ thời điểm t₀ đến thời điểm t_n tuân theo quy luật tăng vận tốc giảm dần. Trong quá trình chuyển động này thì vận tốc chuyển động tăng dần, tương ứng với gia tốc chuyển động giảm dần. Do gia tốc giảm dần nên mức tăng vận tốc giảm dần. Đến thời điểm t_n 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.F_n.a_t + k₂.F_n.v_t

Nếu không có quy luật tăng vận tốc giảm dần thì sảy ra điều gì? Nếu ta tác động vào vật thể một lực làm cho vật chuyển động, mà vận tốc của vật không tuân theo quy luật tăng vận tốc giảm dần thì sẽ sảy ra hiện tượng vận tốc của vật tăng lên mãi và như thế thì vận tốc chuyển động của vật có thể đạt đến vận tốc vô cùng lớn.

Hà Nội, 19/02/2020

Tác giả

Kim Ngọc Hải