Định luật III Newton nói rằng khi vật A tác dụng lực lên vật B, thì vật B cũng tác dụng lên vật A một lực cùng độ lớn, ngược chiều. Hai lực này gọi là lực và phản lực. Chúng luôn xuất hiện thành cặp, cùng lúc, và đặt lên hai vật khác nhau — vì thế chúng không bao giờ triệt tiêu nhau. Bạn bước đi được, cá bơi được, tên lửa bay được đều nhờ định luật này.
Phát biểu và ba đặc điểm của cặp lực
Newton viết trong Principia (1687): "Với mọi tác động luôn có một phản tác động bằng nó và ngược chiều." Trong sách Vật lý 10, định luật được viết: trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực; hai lực này có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều.
- Cùng độ lớn, ngược chiều, cùng đường thẳng.
- Xuất hiện và mất đi cùng lúc. Không có chuyện lực đến trước, phản lực đến sau.
- Đặt lên hai vật khác nhau. Đây là đặc điểm quan trọng nhất và hay bị quên nhất.
- Cùng loại lực. Lực hấp dẫn thì phản lực cũng là hấp dẫn; lực ma sát thì phản lực cũng là ma sát.
Câu đố con ngựa kéo xe
Đây là câu hỏi kinh điển: ngựa kéo xe một lực, xe kéo ngược ngựa một lực bằng thế. Vậy cộng lại bằng không, sao xe vẫn chạy được?
Lời giải nằm ở chỗ hai lực đặt lên hai vật khác nhau. Muốn biết xe có chạy không, chỉ xét các lực lên xe: lực ngựa kéo về trước và ma sát bánh xe kéo về sau. Nếu lực ngựa kéo lớn hơn ma sát, xe tăng tốc.
Còn ngựa thì sao? Lực lên ngựa gồm xe kéo về sau và mặt đất đẩy ngựa về trước (phản lực khi móng ngựa đạp ra sau). Ngựa đạp đất càng mạnh, đất đẩy ngựa càng mạnh. Chỉ cần lực đất đẩy ngựa lớn hơn lực xe kéo lại, ngựa đi tới, kéo theo xe.
Bài học: cặp lực và phản lực không bao giờ cộng lại với nhau, vì chúng không cùng tác dụng lên một vật.
Những chỗ định luật III đang làm việc mỗi ngày
| Hoạt động | Lực ta tác dụng | Phản lực đẩy ta đi |
|---|---|---|
| Đi bộ | Bàn chân đạp mặt đất về phía sau | Mặt đất đẩy bàn chân về phía trước (qua ma sát) |
| Bơi | Tay, chân đẩy nước về phía sau | Nước đẩy người về phía trước |
| Chèo thuyền | Mái chèo đẩy nước ra sau | Nước đẩy mái chèo, kéo thuyền đi tới |
| Chim bay | Cánh đẩy không khí xuống và ra sau | Không khí đẩy chim lên và về trước |
| Trực thăng | Cánh quạt đẩy luồng khí xuống | Luồng khí đẩy máy bay lên |
| Tên lửa | Động cơ phụt khí nóng ra sau | Khí đẩy tên lửa về phía trước |
| Nhảy lên | Chân đạp mạnh xuống đất | Đất đẩy người lên |
Đi trên băng thấy khó là vì định luật III cần ma sát để làm việc. Bàn chân đạp ra sau, nhưng băng quá trơn nên không "nhận" được lực, do đó cũng không đẩy lại. Người trượt băng phải nghiêng lưỡi giày để đạp ngang vào băng — chi tiết này có ở bài về lưỡi giày trượt.
Táo hút Trái Đất mạnh như Trái Đất hút táo
Quả táo 100 g rơi vì Trái Đất kéo nó một lực khoảng 1 N. Theo định luật III, quả táo cũng kéo Trái Đất một lực đúng 1 N, hướng lên. Vậy sao Trái Đất không "rơi" lên phía quả táo?
Nó có, nhưng không đáng kể. Dùng định luật II: gia tốc của Trái Đất là 1 N chia cho khoảng 6 × 10²⁴ kg, ra cỡ 10⁻²⁵ m/s². Con số nhỏ tới mức không dụng cụ nào đo nổi. Lực bằng nhau, nhưng quán tính của Trái Đất lớn khủng khiếp.
Va chạm xe tải và xe con: lực bằng nhau, hậu quả khác nhau
Khi một xe tải đâm vào xe con, lực xe tải tác dụng lên xe con và lực xe con tác dụng lên xe tải bằng nhau tuyệt đối trong từng khoảnh khắc va chạm. Nghe có vẻ trái với trực giác.
Khác biệt nằm ở gia tốc. Xe tải nặng gấp mười lần xe con thì chịu gia tốc nhỏ hơn mười lần. Người trong xe con bị thay đổi vận tốc đột ngột hơn rất nhiều, nên bị thương nặng hơn. Đây là lý do các tổ chức an toàn giao thông khuyến cáo người đi xe nhỏ phải đặc biệt chú ý giữ khoảng cách với xe lớn.
Kéo co: ai thắng?
Trong kéo co, lực đội A kéo dây và lực đội B kéo dây luôn bằng nhau theo hai đầu sợi dây (bỏ qua khối lượng dây). Vậy thắng thua do đâu?
Do lực ma sát giữa chân và mặt đất. Đội nào đạp đất mạnh hơn, đứng thấp hơn, chân bám tốt hơn thì mặt đất đẩy đội đó về sau mạnh hơn. Kéo co thật ra là cuộc thi xem ai "đẩy mặt đất" giỏi hơn. Vì thế các đội kéo co chuyên nghiệp chọn giày đế bám tốt, ngả người thấp và đều nhịp, chứ không chỉ cần tay khoẻ.
Những hiểu lầm về định luật III
- "Quyển sách trên bàn: trọng lực và phản lực của bàn là cặp lực theo định luật III." Sai. Hai lực này cùng đặt lên quyển sách, chúng cân bằng nhau nhờ định luật I. Cặp đúng theo định luật III là: Trái Đất kéo sách — sách kéo Trái Đất; sách ép xuống bàn — bàn đẩy lên sách.
- "Vật mạnh hơn tác dụng lực lớn hơn." Sai. Một võ sĩ đấm vào bao cát, bao cát đấm lại tay võ sĩ đúng bằng lực đó. Lý do bao cát lắc mạnh hơn là vì nó nhẹ hơn và không được neo chặt.
- "Phản lực xuất hiện sau một chút." Sai. Hai lực xuất hiện đồng thời.
Góc nhìn hôm nay: tự thấy định luật III
- Đứng trên ván trượt hoặc ngồi trên ghế xoay có bánh, ném một quả bóng nặng ra phía trước: bạn bị đẩy lùi về sau.
- Thổi căng một quả bóng bay rồi thả cho khí phụt ra: bóng lao về phía ngược lại. Luồn bóng qua ống hút gắn vào sợi dây căng ngang để thành "tên lửa dây".
- Hai người đứng trên hai ván trượt đối diện, một người đẩy người kia: cả hai cùng lùi ra xa, người nhẹ hơn lùi nhanh hơn.
Đọc thêm: phần ba định luật Newton trong sách Vật lý 10, và trang giáo dục của NASA Glenn Research Center có giải thích định luật III với tên lửa bằng hình vẽ dễ hiểu.
Câu hỏi thường gặp
Định luật 3 Newton phát biểu thế nào?
Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, vật B cũng tác dụng lại vật A một lực cùng độ lớn, cùng giá nhưng ngược chiều. Hai lực này gọi là lực và phản lực, chúng luôn xuất hiện thành cặp.
Vì sao lực và phản lực không triệt tiêu nhau?
Vì chúng đặt lên hai vật khác nhau. Chỉ những lực cùng tác dụng lên một vật mới có thể cộng lại và triệt tiêu nhau. Muốn biết một vật chuyển động thế nào, chỉ xét các lực đặt lên chính vật đó.
Ví dụ định luật 3 Newton trong đời sống?
Đi bộ (chân đạp đất ra sau, đất đẩy người về trước), bơi (đẩy nước ra sau), chèo thuyền, tên lửa phụt khí ra sau để bay về trước, chim vỗ cánh đẩy không khí xuống để bay lên.
Ngựa kéo xe thì xe kéo lại ngựa, sao xe vẫn chạy?
Vì xét riêng xe, lực ngựa kéo lớn hơn ma sát lên xe nên xe tăng tốc. Xét riêng ngựa, mặt đất đẩy ngựa về trước mạnh hơn lực xe kéo lại. Cặp lực ngựa–xe đặt lên hai vật khác nhau nên không triệt tiêu.
Kéo co đội nào thắng theo vật lý?
Lực hai đội kéo dây luôn bằng nhau. Đội thắng là đội tạo được lực ma sát với mặt đất lớn hơn, tức đạp đất mạnh hơn, đứng vững hơn, giày bám tốt hơn.