Định luật I Newton nói rằng: nếu một vật không chịu lực nào, hoặc các lực tác dụng lên nó cân bằng nhau, thì vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Đây còn gọi là định luật quán tính. Điều quan trọng nhất cần nhớ: định luật không nói "không có lực thì vật dừng lại", mà nói "không có lực tổng hợp thì vận tốc không đổi".
Newton viết gì trong sách Principia năm 1687
Định luật I nằm ở đầu cuốn Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên), xuất bản ở London năm 1687. Newton viết bằng tiếng Latinh:
Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.
Dịch sát nghĩa: "Mọi vật đều kiên trì trong trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều theo đường thẳng của nó, trừ khi bị các lực tác dụng lên nó buộc phải thay đổi trạng thái ấy." Chữ "kiên trì" (perseverare) rất đắt: vật không cần ai giúp mới giữ được chuyển động. Nó tự giữ.
Newton không phải người đầu tiên nghĩ ra ý này. Galileo đã đi gần tới đó qua thí nghiệm mặt phẳng nghiêng (sách năm 1638), còn René Descartes viết khá rõ trong Principia Philosophiae năm 1644 rằng vật có xu hướng chuyển động theo đường thẳng. Công của Newton là đặt nó làm viên gạch đầu tiên của cả một hệ thống, nối liền với định luật II, định luật III và luật hấp dẫn.
Đọc kỹ từng vế của định luật
"Không chịu lực nào hoặc các lực cân bằng nhau"
Trên Trái Đất gần như không có vật nào hoàn toàn không chịu lực. Quyển sách nằm trên bàn bị Trái Đất kéo xuống và mặt bàn đẩy lên. Hai lực bằng nhau, ngược chiều, nên tổng hợp lực bằng không và quyển sách đứng yên. Định luật I áp dụng được vì hợp lực bằng không, không phải vì không có lực.
"Chuyển động thẳng đều"
Thẳng và đều là hai điều kiện đi cùng nhau. Một vật đi tròn đều — như đầu kim giây — có tốc độ không đổi nhưng hướng thay đổi liên tục, nên không phải chuyển động thẳng đều. Muốn đi tròn, vật bắt buộc phải có lực kéo vào tâm.
"Đứng yên hoặc thẳng đều" là hai mặt của một thứ
Với vật lý, đứng yên chỉ là chuyển động thẳng đều với vận tốc bằng không. Người ngồi trên toa tàu chạy êm thấy mình đứng yên, người ở sân ga thấy họ đang chạy 80 km/h. Cả hai đều đúng, và định luật I đúng với cả hai.
Ví dụ: xe chạy đều trên cao tốc có "hết lực" không
Đây là câu hỏi hay làm học sinh bối rối. Ô tô chạy đều 90 km/h trên đường thẳng, động cơ vẫn đang chạy, vậy lực kéo đi đâu?
Câu trả lời: lực kéo của bánh xe vẫn còn, nhưng nó bằng đúng tổng lực cản (sức cản không khí cộng ma sát lăn). Hai bên cân bằng nên hợp lực bằng không, xe giữ vận tốc. Tài xế nhả ga thì lực kéo mất, lực cản thắng, xe chậm dần. Đạp ga thêm thì lực kéo lớn hơn lực cản, xe tăng tốc.
| Tình huống | Lực kéo so với lực cản | Hợp lực | Vận tốc |
|---|---|---|---|
| Đạp ga mạnh | Lớn hơn | Hướng về trước | Tăng |
| Giữ ga đều trên đường bằng | Bằng nhau | Bằng không | Không đổi (định luật I) |
| Nhả ga | Nhỏ hơn hoặc bằng không | Hướng về sau | Giảm |
| Phanh | Lực phanh cộng lực cản | Hướng về sau, lớn | Giảm nhanh |
Người nhảy dù cũng là ví dụ đẹp. Sau vài giây rơi, sức cản không khí tăng lên bằng trọng lượng, người rơi ở "vận tốc giới hạn", khoảng 200 km/h với tư thế nằm sấp. Lúc đó họ vẫn đang rơi, nhưng hợp lực bằng không, nên vận tốc không tăng nữa.
Những cách hiểu sai định luật I
- "Vật chuyển động được là nhờ có lực." Sai. Lực làm vận tốc thay đổi, chứ không cần để duy trì vận tốc. Quả bóng bay ra khỏi chân cầu thủ không còn lực đá nào theo nó.
- "Không có lực thì vật dừng lại." Sai. Không có lực thì vật giữ nguyên vận tốc. Vật dừng là do có lực hãm (ma sát, sức cản).
- "Định luật I chỉ là trường hợp riêng của định luật II khi F = 0." Về toán thì đúng là đặt F = 0 vào F = m·a ra a = 0. Nhưng về ý nghĩa, định luật I còn làm một việc khác: nó cho biết ta phải đứng ở hệ quy chiếu nào thì các định luật Newton mới đúng. Đó là hệ quy chiếu quán tính.
- "Vật đang quay tròn mà đứt dây sẽ bay thẳng ra xa tâm." Sai. Nó bay theo đường tiếp tuyến tại điểm đứt dây — đúng như định luật I dự đoán, vì lúc đó không còn lực nào bẻ cong quỹ đạo.
Định luật I và hệ quy chiếu
Đứng trong một chiếc xe đang phanh, bạn thấy quả táo trên ghế tự lăn về phía trước dù không ai đẩy nó. Với bạn, định luật I có vẻ bị vi phạm. Thật ra định luật không sai; chỉ là chiếc xe đang phanh không phải hệ quy chiếu quán tính.
Các sách vật lý hiện đại thường đọc định luật I như một định nghĩa: hệ quy chiếu quán tính là hệ mà trong đó vật không chịu lực thì chuyển động thẳng đều. Mặt đất là hệ quán tính gần đúng, đủ tốt cho hầu hết việc hằng ngày. Toa tàu chạy đều cũng là hệ quán tính. Xe đang phanh, đu quay đang quay thì không.
Ứng dụng: chỗ nào định luật I đang làm việc quanh ta
- Tàu vũ trụ bay "không cần nhiên liệu". Sau khi tên lửa đẩy đạt vận tốc cần thiết, tàu thăm dò tắt động cơ và bay theo quán tính, chỉ bị hấp dẫn của các thiên thể bẻ cong đường bay. Voyager 1 và 2 phóng năm 1977 vẫn đang rời xa Hệ Mặt Trời theo cách đó.
- Bi đá trên sân curling được đẩy một cú rồi tự trượt hàng chục mét vì băng ít ma sát.
- Thiết kế dây an toàn xuất phát từ việc thân người giữ vận tốc khi xe dừng đột ngột.
- Dụng cụ thể thao như chạy đà nhảy sào tận dụng vận tốc đã tích luỹ.
Góc nhìn hôm nay: thử định luật I bằng tay
Có ba cách đơn giản để cảm nhận định luật I:
- Đặt một đồng xu trên tấm bìa phủ miệng cốc, búng mạnh tấm bìa theo phương ngang. Đồng xu rơi thẳng vào cốc vì nó "chưa kịp" nhận vận tốc ngang.
- Lăn một viên bi trên sàn gạch, rồi lăn nó trên thảm với cùng lực đẩy. So quãng đường để thấy ma sát mới là thứ làm bi dừng.
- Ngồi trên tàu hoả hay máy bay đang bay êm, tung một vật nhỏ thẳng lên. Nó rơi lại đúng vào tay, chứng tỏ bên trong phương tiện chạy đều mọi thứ diễn ra y như đứng yên.
Muốn đọc thêm, chương 2 sách Vật lý 10 (phần ba định luật Newton) là đủ nền; người thích đi sâu có thể đọc bản dịch tiếng Anh của Principia (bản I. Bernard Cohen và Anne Whitman, 1999) hoặc chương 9 tập 1 Feynman Lectures on Physics, có bản đọc miễn phí trên mạng của Caltech.
Câu hỏi thường gặp
Định luật 1 Newton phát biểu như thế nào?
Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không, thì vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Đây cũng gọi là định luật quán tính.
Vì sao định luật 1 Newton còn gọi là định luật quán tính?
Vì nó mô tả đúng tính chất quán tính của vật: xu hướng giữ nguyên vận tốc. Định luật nói rằng muốn thay đổi vận tốc phải có lực, còn không có lực thì vật cứ thế giữ trạng thái cũ.
Ví dụ về định luật 1 Newton trong thực tế?
Quyển sách nằm yên trên bàn, ô tô chạy đều trên cao tốc khi lực kéo bằng lực cản, người nhảy dù rơi với vận tốc giới hạn, tàu thăm dò bay trong vũ trụ khi đã tắt động cơ. Tất cả đều có hợp lực bằng không và vận tốc không đổi.
Định luật 1 Newton có đúng trong xe đang phanh không?
Không áp dụng trực tiếp được, vì xe đang phanh không phải hệ quy chiếu quán tính. Muốn dùng các định luật Newton trong xe ấy, phải thêm lực quán tính vào tính toán, hoặc đứng ở mặt đất mà xét.
Ai phát hiện ra định luật quán tính trước Newton?
Galileo đã tiến gần tới ý tưởng này qua thí nghiệm mặt phẳng nghiêng, và Descartes viết rõ năm 1644 rằng vật có xu hướng đi thẳng. Newton đưa nó thành định luật đầu tiên trong hệ cơ học của mình năm 1687.