Biểu diễn các lực tác dụng lên một vật

Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.

Các bài giảng được trình bày dưới dạng thảo luận hỏi đáp giữa giáo viên và học sinh.

§2 BIỂU DIỄN CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN MỘT VẬT

HS: Các bài toán cơ học thường là khó nhất hết thảy. Thầy bắt đầu giải chúng như thế nào?

GV: Thông thường, các em có thể bắt đầu bằng cách xét những lực tác dụng lên một vật. Lấy ví dụ, ta có thể xét trường hợp sau đây (Hình 7): (a) vật được ném lên hợp một góc với phương ngang, (b) vật trượt xuống một mặt phẳng nghiêng, (c) vật quay trên đầu của một sợi dây trong mặt phẳng thẳng đứng, và (d) vật là một con lắc. Hãy vẽ các mũi tên biểu diễn các lực tác dụng lên vật trong mỗi trường hợp này, và hãy giải thích các mũi tên biểu diễn cái gì.

HS: Đây là hình vẽ của em (Hình 8). Trong trường hợp thứ nhất, P là trọng lực của vật và F là lực ném. Trong trường hợp thứ hai, P là trọng lực, F là lực giữ cho vật trượt theo mặt phẳng nghiêng và F_fr là lực ma sát. Trong trường hợp thứ ba, P là trọng lực, F_c là lực hướng tâm và T là lực căng trong sợi dây. Trong trường hợp thứ tư, P là trọng lực, F là lực hồi phục và T là lực căng trong sợi dây.

GV: Em phạm sai lầm trong cả bốn trường hợp. Ở đây tôi có hình vẽ chính xác (Hình 9).

Một điều em phải hiểu rõ là lực là hệ quả của sự tương tác giữa các vật. Do đó, để biểu diễn các lực tác dụng lên một vật em phải xác định những vật nào có tương tác với vật đã cho. Như vậy, trong trường hợp thứ nhất, chỉ có trái đất tương tác với vật bằng cách hút nó xuống (Hình 9a). Vì thế, chỉ có một lực, trọng lực P, tác dụng lên vật. Nếu ta muốn đưa vào xét sức cản của không khí, hay, nói ví dụ, tác dụng của gió, ta sẽ phải đưa vào thêm lực khác. “Lực ném”, như trong hình vẽ của em, thật ra không hề tồn tại, vì không có tương tác nào đang tạo ra một lực như vậy.

HS: Nhưng để ném một vật, chắc chắn phải có một loại lực nào đó tác dụng lên nó chứ.

GV: Vâng, điều đó đúng. Khi em ném một vật, em tác dụng một lực nhất định lên nó. Tuy nhiên, trong trường hợp trên, ta xử lí chuyển động của vật sau khi nó bị ném lên, tức là sau khi lực truyền một vận tốc bay ban đầu nhất định cho vật đã ngừng tác dụng. Không có chuyện “tích lũy” lực; ngay khi tương tác của các vật kết thúc, lực tương tác không còn nữa.

HS: Nhưng nếu chỉ có trọng lực đang tác dụng lên vật thì tại sao nó không rơi thẳng đứng xuống dưới mà lại chuyển động theo một quỹ đạo cong?

GV: Cái khiến em bất ngờ là trong trường hợp đã cho hướng chuyển động của vật không trùng với hướng của lực tác dụng lên nó. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn phù hợp với định luật II Newton. Câu hỏi của em cho thấy em chưa nghĩ đủ kĩ lưỡng với các định luật động lực học Newton. Tôi dự định trình bày nội dung này ở phần sau (bài 4). Bây giờ tôi muốn tiếp tục phân tích của chúng ta về bốn trường hợp đã cho của chuyển động của một vật. Trong trường hợp thứ hai (Hình 9b), một vật đang trượt xuống một mặt phẳng nghiêng. Hỏi những vật nào đang tương tác với nó?

HS: Rõ ràng có hai vật: trái đất và mặt phẳng nghiêng.

GV: Chính xác. Điều này cho phép chúng ta tìm những lực tác dụng lên vật. Trái đất gây ra trọng lực P, mà mặt phẳng nghiêng gây ra lực ma sát trượt F_fr và lực N thường được gọi là phản lực pháp tuyến. Lưu ý rằng em đã hoàn toàn bỏ sót lực N trong hình vẽ của mình.

HS: Chờ chút thầy ơi! Vậy mặt phẳng nghiêng tác dụng lên vật với hai lực chứ không phải một lực?

GV: Tất nhiên, chỉ có một lực thôi. Tuy nhiên, cách tiện hơn là xử lí nó ở dạng hai lực thành phần, một thành phần hướng theo mặt phẳng nghiêng (lực ma sát trượt) và thành phần kia vuông góc với nó (phản lực pháp tuyến). Thật ra thì những lực này có một nguồn gốc chung, tức là chúng là những thành phần của cùng một lực, có thể thấy trong sự tồn tại của một mối liên hệ chung giữa F_fr và N:

F_fr = kN           (5)

trong đó k là một hằng số gọi là hệ số ma sát trượt. Ta sẽ lí giải mối liên hệ này chi tiết hơn ở phần sau (bài 3).

HS: Trong hình vẽ của em, em biểu diễn một lực trượt giữ cho vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng. Rõ ràng không có lực nào như vậy. Nhưng rõ ràng em nhớ có từng nghe nói tới khái niệm “lực trượt” được dùng thường xuyên trước đây. Thầy có thể giải thích rõ hơn chỗ này không?

GV: Vâng, thật sự có một khái niệm như vậy. Tuy nhiên, em phải nhớ trong đầu rằng lực trượt, như em gọi nó, đơn giản là một trong những thành phần của trọng lượng của vật, thu được khi trọng lượng đó được chia thành hai lực, một lực song song với mặt nghiêng và lực kia thì vuông góc với nó. Nếu, trong khi liệt kê các lực tác dụng lên vật, em đã nêu tên trọng lực, thì không có lí do gì để bổ sung thêm lực trượt, một trong hai thành phần của nó.

Trong trường hợp thứ ba (Hình 9c), vật quay trong một mặt phẳng thẳng đứng. Những vật nào tác dụng lên nó?

HS: Hai vật: trái đất và sợi dây.

GV: Đúng, và đó là nguyên do tại sao có hai lực tác dụng lên vật: trọng lực và lực căng của sợi dây.

HS: Nhưng còn lực hướng tâm thì sao?

GV: Đừng lo lắng sốt sắng vậy! Có nhiều lỗi sai trong bài toán về chuyển động của một vật theo một vòng tròn đến mức tôi dự tính đào sâu thêm bài toán này (xem bài 8). Ở đây tôi chỉ muốn lưu ý rằng lực hướng tâm không phải là một loại lực gì khác tác dụng lên vật. Nó là lực tổng hợp. Trong trường hợp của chúng ta (khi vật ở tại điểm thấp nhất của đường đi của nó), lực hướng tâm là hiệu của lực căng của sợi dây và trọng lực.

HS: Nếu như em hiểu đúng, thì lực hồi phục trong trường hợp thứ tư (Hình 9d) cũng là tổng hợp của lực căng của sợi dây và trọng lực phải không?

GV: Khá đúng. Ở đây, như trong trường hợp thứ ba, sợi dây và trái đất tương tác với vật. Do đó, hai lực, lực căng của sợi dây và trọng lực, tác dụng lên vật.

Tôi muốn nhấn mạnh một lần nữa rằng các lực phát sinh chỉ là hệ quả của sự tương tác giữa các vật; chúng không thể phát sinh từ bất kì xét đoán “phụ gia” nào. Tìm những vật đang tác dụng lên vật đã cho và em sẽ làm rõ các lực tác dụng lên vật đó.

HS: Chắc chắn có những trường hợp phức tạp hơn những trường hợp thầy đã minh họa ở Hình 7. Ta có thể xét đến chúng hay không?

GV: Có nhiều ví dụ của những tương tác phức tạp hơn của các vật. Chẳng hạn, một lực nằm ngang không đổi nhất định F tác dụng lên một vật là hệ quả của việc vật chuyển động lên trên một mặt phẳng nghiêng. Các lực tác dụng lên vật trong trường hợp này được biểu điễn trong Hình 10.

Một ví dụ nữa là sự dao động của một con lắc tích điện đặt bên trong một tụ điện phẳng. Ở đây ta có thêm một lực F_e do điện trường của tụ tác dụng lên điện tích của con lắc (Hình 11). Rõ ràng không thể nhắc tới hết mọi trường hợp có thể nhận thức có thể xuất hiện trong khi giải các bài toán.

HS: Thầy làm gì khi có vài ba vật trong bài toán? Ví dụ, xét trường hợp minh họa trong Hình 12.

GV: Em nên nhận thức rõ mỗi lần em định xét chuyển động của những vật nào hay kết hợp của những vật nào. Chẳng hạn, ta hãy xét chuyển động của vật 1 trong ví dụ em vừa nêu. Trái đất, mặt phẳng nghiêng và sợi dây AB tương tác với vật này.

HS: Sao vật 2 không tương tác với vật 1 hả thầy?

GV: Chỉ tương tác qua sợi dây AB thôi. Các lực tác dụng lên vật 1 là trọng lực P’, lực ma sát trượt F’_fr, phản lực pháp tuyến N’ và lực căng T’ của sợi dây AB (Hình 13a).

HS: Nhưng tại sao lực ma sát có chiều hướng sang trái trong hình vẽ của thầy? Có vẻ như sẽ hợp lí nếu như nó tác dụng theo chiều ngược lại.

GV: Để xác định chiều của lực ma sát, ta cần biết chiều mà vật đang chuyển động. Nếu như chiều này không được nêu rõ trong bài toán, ta nên giả sử chiều này hoặc chiều kia. Trong bài toán đã cho, tôi giả sử rằng vật 1 (cùng với toàn bộ hệ vật) đang chuyển động sang bên phải và cái ròng rọc đang quay theo chiều kim đồng hồ. Tất nhiên, tôi không biết điều này từ trước; chiều của chuyển động chỉ trở nên rõ ràng sau khi các giá trị số tương ứng được thay vào. Nếu giả sử của tôi là sai, tôi sẽ thu được một giá trị âm khi tôi tính gia tốc. Sau đó tôi phải giả sử rằng vật chuyển động sang bên trái thay vì bên phải (với cái ròng rọc quay ngược chiều kim đồng hồ) và lực ma sát trượt khi đó sẽ có chiều tương ứng. Sau đó, tôi có thể suy ra một phương trình để tính gia tốc và kiểm tra lại dấu của nó bằng cách thay các giá trị số vào.

HS: Tại sao phải kiểm tra dấu của gia tốc lần thứ hai? Nếu nó có giá trị âm khi chuyển động được giả sử hướng sang bên phải, thì rõ ràng nó sẽ dương đối với giả thiết thứ hai đó.

GV: Không, trong trường hợp thứ hai nó cũng có khả năng âm.

HS: Em không hiểu nổi điều đó. Rõ ràng nếu vật không chuyển động sang phải thì nó phải chuyển động sang trái chứ?

GV: Em quên mất rằng vật cũng có thể đứng yên. Ta sẽ trở lại câu hỏi này ở phần sau và phân tích chi tiết những cái phức tạp phát sinh khi ta đưa lực ma sát vào xem xét (xem bài 7).

Tại đây, ta sẽ chỉ giả sử rằng cái ròng rọc quay theo chiều kim đồng hồ và khảo sát chuyển động của vật 2.

HS: Trái đất, mặt phẳng nghiêng, sợi dây AB và sợi dây CD tương tác với vật 2. Các lực tác dụng lên vật 2 được biểu diễn trong Hình 13b.

GV: Tốt lắm. Giờ ta hãy xét tiếp vật 3.

HS: Vật 3 chỉ tương tác với trái đất và với dây CD. Hình 13c biểu diễn các lực tác dụng lên vật 3.

GV: Bây giờ, sau khi đã xác định các lực tác dụng lên mỗi vật, em có thể viết phương trình chuyển động cho mỗi vật và sau đó giải hệ phương trình em có được.

HS: Thầy có nói rằng không nhất thiết xét từng vật tách biệt, mà ta còn có thể xét hệ vật như một tổng thể.

GV: À vâng; các vật 1, 2 và 3 có thể được khảo sát, không phải tách rời nhau như ta vừa làm, mà như một tổng thể. Khi đó, các lực căng dây không cần thiết đưa vào xem xét vì trong trường hợp này chúng trở thành các nội lực, tức là lực tương tác giữa những phần khác nhau của đối tượng được xét. Hệ ba vật xem như một tổng thể đó chỉ tương tác với trái đất và mặt phẳng nghiêng.

HS: Em muốn làm rõ một chỗ. Khi em miêu tả các lực trong Hình 13b và c, em đã giả sử rằng lực căng trong dây CD là bằng nhau ở hai phía của ròng rọc. Điều đó có đúng không?

GV: Nói đại khái thì như thế là không đúng. Nếu cái ròng rọc quay theo chiều kim đồng hồ, thì lực căng ở phần dây CD gắn với vật 3 sẽ lớn hơn lực căng ở phần dây gắn với vật 2. Sự chênh lệch lực căng này là cái gây ra chuyển động quay có gia tốc của ròng rọc. Cái đã được giả định trong ví dụ đã cho là khối lượng của cái ròng rọc có thể bỏ qua. Nói cách khác, cái ròng rọc không có khối lượng để mà gia tốc, nên nó được xem đơn giản là phương tiện đổi chiều của sợi dây nối với vật 2 và vật 3. Do đó, có thể giả sử rằng lực căng trong dây CD là bằng nhau ở cả hai phía của cái ròng rọc. Như một quy tắc, khối lượng của ròng rọc là bỏ qua được, trừ khi có những quy định khác.

Chúng ta đã làm sáng tỏ mọi thứ chưa nhỉ?

HS: Em vẫn còn một thắc mắc về điểm tác dụng của lực. Trong các hình vẽ của thầy, thầy tác dụng tất cả các lực vào một điểm của vật. Điều này có đúng không? Thầy có thể tác dụng lực ma sát, chẳng hạn, vào trọng tâm của vật không?

GV: Nên nhớ rằng chúng ta đang nghiên cứu động học và động lực học, không phải của những vật kích cỡ lớn, mà là của các chất điểm, hay các hạt, tức là ta xem vật là khối lượng điểm. Tuy nhiên, trên các hình vẽ, ta biểu diễn một vật, chứ không phải một điểm, là để cho dễ hình dung. Vì thế, tất cả các lực có thể biểu diễn là tác dụng vào một điểm của vật.

HS: Chúng em từng được dạy rằng mọi sự đơn giản hóa dẫn tới làm mất những phương diện nhất định của bài toán. Chúng ta làm mất cái gì khi ta xem vật là một chất điểm?

GV: Trong một phương pháp đơn giản hóa, ta không xét đến mômen quay, cái dưới những điều kiện thực tế có thể mang lại chuyển động quay và làm đổ vật. Một chất điểm thì chỉ có chuyển động tịnh tiến. Ta hãy xét một ví dụ. Giả sử có hai lực tác dụng vào hai điểm khác nhau của một vật: F₁ tại điểm A và F₂ tại điểm B, như biểu diễn trong Hình 14a. Giờ ta hãy tác dụng, tại điểm A, lực F’₂ bằng và song song với lực F₂, và lực F”₂ bằng với F₂ nhưng tác dụng theo chiều ngược lại (Hình 14b). Vì các lực F’₂ và F”₂ cân bằng nhau, nên sự cộng gộp của chúng không làm thay đổi phương diện vật lí của bài toán trong mọi trường hợp. Tuy nhiên, Hình 14b có thể hiểu như sau: các lực F₁ và F’₂ tác dụng tại điểm A gây ra chuyển động tịnh tiến của vật; còn tác dụng lên vật là một ngẫu lực (F₂ và F”₂) thì gây ra chuyển động quay. Nói cách khác, lực F₂ có thể dời đến điểm A của vật nếu, đồng thời, mômen quay tương ứng được thêm vào. Khi ta xem vật là một chất điểm, hay một hạt, thì rõ ràng sẽ không có mômen quay.

HS: Thầy nói một chất điểm không thể quay mà chỉ có chuyển động tịnh tiến. Nhưng chúng ta đã gặp chuyển động quay rồi – chuyển động theo một vòng tròn.

GV: Đừng nhầm lẫn những thứ hoàn toàn khác nhau. Chuyển động tịnh tiến của một điểm có thể xảy ra theo những quỹ đạo khác nhau, chẳng hạn, theo một vòng tròn. Khi tôi bác bỏ khả năng chuyển động quay của một điểm tôi muốn nói chuyển động quay xung quanh nó, tức là xung quanh một trục bất kì đi qua điểm đó.

Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông
L. Tarasov và A. Tarasova
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp