ĐỘNG LƯỢNG VÀ XUNG LƯỢNG
Một khái niệm vật lí quan trọng nữa là động lượng; nó là tích của khối lượng và vận tốc (m × v). Nó đặc biệt quan trọng khi một vật va chạm với một vật khác. Như bạn đã biết, khi một vật nặng va chạm với một vật nhỏ hơn, nhẹ hơn, thì vật nhỏ hơn chịu biến đổi nhiều nhất. Để hiểu rõ hơn điều này, ta phải tìm hiểu khái niệm xung lượng. Giả sử một người lính dùng khiên đỡ lưỡi gươm của một người lính khác; rõ ràng anh ta tác dụng một lực lên nó, nhưng lực này chỉ tác dụng trong một khoảng thời gian ngắn. Tích của lực này và thời gian nó tác dụng được định nghĩa là xung lượng. Ngoài ra, rõ ràng xung lượng này sắp làm cho cái khiên chuyển động với một vận tốc nhất định, và vận tốc này sẽ phụ thuộc vào khối lượng của cái khiên. Vì thế, xung lượng cũng liên quan với động lượng. Thật vậy, xung lượng làm tăng động lượng; hay, chính xác hơn, vì động lượng của cái khiên bằng không trước khi có xung lượng, nên xung lượng tạo ra một sự biến thiên động lượng. Do đó, xung lượng bằng độ biến thiên động lượng.3
Bây giờ ta trở lại với va chạm của hai vật. Trong một va chạm như thế, cái có ý nghĩa đặc biệt quan trọng là nguyên lí bảo toàn động lượng. Nó phát biểu rằng tổng động lượng của một hệ cô lập bất kì giữ nguyên không đổi. Điều này có nghĩa là tổng động lượng trước va chạm sẽ bằng tổng động lượng sau va chạm, giả sử không có tác động nào từ bên ngoài. Giả sử rằng va chạm là trực diện, và hai vật có động lượng bằng nhau (nhưng ngược chiều). Ta dễ dàng thấy là chúng sẽ dừng lại. Thoạt trông giống như là động lượng của chúng biến mất – nhưng không phải vậy. Trước va chạm, chúng có động lượng bằng nhau nhưng ngược chiều, và tổng của hai con số bằng nhau và ngược dấu là bằng không. Sau va chạm, tổng đó vẫn bằng không. Khi va chạm xảy ra, mỗi vật truyền một xung lượng sang vật kia, nhưng hai xung lượng đó bằng nhau và ngược dấu, cho nên hai vật dừng lại.
Ta dễ thấy từ ví dụ này là nếu một trong hai vật có động lượng lớn hơn vật kia, thì nó sẽ gây ra một xung lượng lớn hơn lên vật thứ hai, và nếu hai vật dính vào nhau khi chúng va chạm thì chúng sẽ tiếp tục chuyển động với một vận tốc nhất định theo chiều chuyển động của vật có động lượng lớn hơn.
TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
Mọi người đều biết khi bạn bắn một mũi tên chếch một góc nào đó với phương thẳng đứng thì nó không đi theo đường thẳng. Nó đi lên trong một khoảng thời gian nào đó rồi lao đầu về hướng mặt đất, cuối cùng thì tiếp đất. Đây là bởi lực hút hấp dẫn của Trái đất lên mũi tên. Trên thực tế, hai vật hút lẫn nhau, nhưng vì Trái đất đồ sộ hơn mũi tên rất nhiều, cho nên trước mắt ta thấy Trái đất đang hút mũi tên. Một lần nữa, chính Newton là người giải thích cái đang xảy ra. Ông phát biểu rằng vạn vật trong vũ trụ đều hút lẫn nhau. Thật vậy, ông còn nêu ra một công thức cho lực hút giữa hai vật bất kì.
Bây giờ xét một hòn đá được giữ cách mặt đất một khoảng cách nào đó. Nó được Trái đất hút với một lực nhất định, và nếu ta buông tay, nó gia tốc xuống dưới cho đến khi chạm đất. Với một dụng cụ tương đối đơn giản, ta có thể đo gia tốc này, và ta tìm được giá trị của nó là 32 ft/s2, hay trong hệ mét là 9,8 m/s2.
Trọng lực đặc biệt quan trọng trong liên hệ với chiến tranh bởi vì mọi vật, ví dụ như mũi tên, đạn đại bác, đạn, và vân vân, đều bị nó ảnh hưởng. Những vật bị ném như thế đi theo những quỹ đạo phụ thuộc một số yếu tố, ví dụ như khối lượng và tốc độ của chúng, và còn phụ thuộc áp suất không khí. (Ta sẽ nói chi tiết về các quỹ đạo ở phần sau tập sách.)
Tuy nhiên, gia tốc trọng trường không phải ở đâu cũng bằng nhau. Nó phụ thuộc vào khối lượng của hành tinh mà bạn đang sinh sống. Vì thế, nếu bạn du hành lên Hỏa tinh hay Mộc tinh, thì gia tốc trọng trường sẽ khác. Do đó, trọng lượng của bạn cũng sẽ khác. Trên Mộc tinh chẳng hạn, bạn sẽ cân nặng gấp 2,34 lần trọng lượng của bạn trên Trái đất. Cái không đổi là khối lượng của bạn; nó không phụ thuộc vào trường hấp dẫn ở chỗ bạn ở, và đó là lí do nó được sử dụng trong phần lớn các phương trình vật lí cơ bản. Liên hệ giữa khối lượng (m) và trọng lượng (W) là W = mg, trong đó g là gia tốc trọng trường.
NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT
Nếu bạn nâng cái gì đó lên thẳng đứng một quãng đường nhất định thì bạn thực hiện công. Để thực hiện công này cần có năng lượng, và, như bạn biết, có một số dạng năng lượng khác nhau. Hai trong những dạng năng lượng phổ biến nhất là năng lượng gắn liền với chuyển động, và năng lượng gắn liền với vị trí. Năng lượng gắn liền với chuyển động được gọi là động năng, và vì nó phụ thuộc vào chuyển động, nên nó cũng sẽ phụ thuộc vào vận tốc. Ngoài ra, vật có khối lượng lớn hơn thì có nhiều động năng hơn vật có khối lượng nhỏ hơn, vì thế động năng còn phụ thuộc vào khối lượng. Do đó, động năng được định nghĩa bằng ½ mv2, trong đó m là khối lượng và v là vận tốc. Đơn vị của nó là trong Hệ đơn vị Anh là foot-pound, và trong hệ mks là Newton-mét.
Năng lượng của vị trí được gọi là thế năng. Nó cũng là khả năng thực hiện công. Xét một hòn đá được giữ ở một điểm nào đó phía trên mặt đất. Nếu bạn thả rơi nó, nó thực hiện công lên bụi đất mà nó va chạm; nó làm nén và làm nóng mặt đất lên một chút. Ta định nghĩa thế năng = mgh, trong đó m là khối lượng, g là gia tốc trọng trường, và h là độ cao so với đất mà ta thả vật.4
Giống như động lượng, năng lượng cũng được bảo toàn. Nói ngắn gọn, định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng không tự sinh ra hoặc mất đi; nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác. Điều này có thể được chứng minh khá đẹp nếu bạn lấy một quả bóng và ném nó lên thẳng đứng. Lúc bị ném, quả bóng có một vận tốc lớn, và năng lượng của nó do đó chủ yếu là động năng. Tuy nhiên, khi nó tiếp tục bay lên cao, nó từ từ chậm lại do lực hút hấp dẫn. Cuối cùng, nó dừng lại, và tại điểm này nó có vận tốc bằng không, và do đó nó không có động năng. Tóm lại, toàn bộ động năng của nó đã biến đổi thành thế năng, và tại điểm này nó chỉ có thế năng. Tuy nhiên, khi nó bắt đầu rơi trở xuống, tốc độ của nó tăng lên, và động năng của nó cũng tăng. Đồng thời, thế năng của nó giảm, và vào lúc nó sắp chạm đất toàn bộ thế năng của nó đã biến đổi lại thành động năng.
Hai dạng năng lượng nêu trên không phải là hai dạng năng lượng duy nhất. Những dạng khác là năng lượng biến dạng, nhiệt năng, năng lượng âm thanh, điện năng, hóa năng, và năng lượng hạt nhân. Ví dụ, bạn có thể hỏi điều gì xảy ra với động năng của quả bóng khi nó chạm đất. Nó dường như biến mất, nhưng nó không biến mất. Nó biến đổi thành năng lượng biến dạng và nhiệt năng.
Trong nhiều trường hợp, chúng ta không quan tâm đến công (hay năng lượng) đã thực hiện, mà là tốc độ thực hiện công, hay lượng công được triển khai trong đơn vị thời gian. Đây là công suất. Trong hệ đơn vị mks, công suất được đo theo joule trên giây, và theo định nghĩa thì 1 joule/s là 1 watt.
MOMENT ĐỘNG LƯỢNG VÀ MOMENT XOẮN
Một dạng chuyển động khác có ý nghĩa quan trọng với chiến tranh và vũ khí là chuyển động quay. Bánh xe, hay bất cứ cái gì quay xung quanh một trục, có chuyển động góc hay chuyển động quay. Và tương tự như ta có vận tốc và gia tốc thẳng, ta cũng có vận tốc góc và gia tốc góc. Vận tốc góc được đo là số vòng chuyển động trong đơn vị thời gian. Một đơn vị phổ biến khác là số radian (rad) trên đơn vị thời gian, trong đó radian là 360/2π ≈ 57,3 độ và π bằng chu vi của một đường tròn chia cho đường kính của nó, π = 3,1416. Tất nhiên tốc độ góc có thể biến thiên, và khi nó biến thiên thì nó trở thành gia tốc góc. Đơn vị của gia tốc góc là vòng/s2.5
Tương tự như vậy, ta có một khái niệm tương tự như lực. Đó là tác dụng gây ra chuyển động quay, và nó được gọi là moment xoắn. Nó phải tác dụng cách trục quay một khoảng nào đó, vì thế ta cũng dùng đến khoảng cách. Moment xoắn được định nghĩa là lực × khoảng cách (f × r). Lưu ý rằng bạn tác dụng moment xoắn mỗi khi bạn sử dụng cờ lê hoặc mở cửa.
Trước đây, trong trường hợp chuyển động tịnh tiến hay chuyển động thẳng, ta còn có động lượng, và tương tự, trong trường hợp này ta có moment động lượng. Để xác định công thức cho nó ta phải thay khối lượng (m) và vận tốc (v) bởi các đại lượng góc tương ứng. Vận tốc thì không vấn đề gì; ta chỉ việc thay nó bằng vận tốc góc (ω), nhưng m thì hơi có chút phức tạp vì ta đang xử lí một số lượng lớn khối lượng nhỏ, mỗi khối lượng nằm cách trục quay một khoảng nhất định. Nếu ta cộng dồn tất cả những đóng góp nhỏ từ những khối lượng nhỏ này thì ta có thể xác định cái gọi là moment quán tính; nó được kí hiệu là I. Moment động lượng khi đó bằng Iω.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Trần Nghiêm dịch
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
