III. các định luật về chuyển động
3.1.1. Nội dung kiến thức
Tr−ớc Newton, Aristôt có quan niệm sai lầm cho rằng trạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên của mọi vật khi không có vật nào tác dụng lên nó. Theo ông và các học trò của ông thì chỉ khi kéo một vật, tức là tác dụng vào vật một lực, thì vật mới chuyển động, còn khi thôi kéo (tức là thôi tác dụng) thì vật đứng yên. Mãi sau này Galilê và Newton đã dùng ph−ơng pháp thực nghiệm để bác bỏ cách giải thích trên và đ−a ra một cách giải thích mới về hiện t−ợng đứng yên. Xét về mặt động lực học thì đứng yên chỉ là tr−ờng hợp đặc biệt của tr−ờng hợp chuyển động thẳng đều khi vận tốc ban đầu bằng không.
Nếu nhìn lại lịch sử phát triển của vật lý học thì Galilê đ−ợc coi là ng−ời đầu tiên sử dụng ph−ơng pháp thực nghiệm. Ông thả một hòn bi lăn trên một loại máng nghiêng rất nhẵn và nhận thấy hòn bi chuyển động nhanh dần khi lăn xuống máng nghiêng và chuyển động chậm dần khi lăn ng−ợc lên. Ông dùng một mặt phẳng nằm ngang và hai máng nghiêng để thực hiện một thí nghiệm
nh− đ−ợc mô tả trên hình vẽ. Thả hòn bi từ độ cao ban đầu h trên máng nghiêng1, hòn bi lăn xuống rồi lại lăn ng−ợc lên máng nghiêng 2. Galilê nhận thấy hình nh− hòn bi muốn lăn lên máng 2 đạt đến độ cao bằng độ cao h ban đầu. Ông càng hạ thấp độ nghiêng của máng thì hòn bi lăn trên máng 2 đ−ợc đoạn đ−ờng dài hơn. Từ những thí nghiệm t−ơng tự nh− vậy, Galilê suy ra rằng nếu thay máng 2 bằng một mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lý t−ởng thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi vì chẳng bao giờ có thể đạt đến độ cao ban đầu.
Nh−ng định luật I cũng không phải đơn thuần là sản phẩm của ph−ơng pháp thực nghiệm mà còn là sản phẩm của trí t−ởng t−ợng phong phú, của trình độ t− duy cao, và của trực giác thiên tài của Galilê và của Newton.
Trong cuốn “Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên”, Newton viết: “Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều trừ phi nó chịu tác dụng của các lực làm thay đổi trạng thái đó”. Đấy chính là nội dung của định luật I Newton. Định luật I nói rằng, khi thôi tác dụng thì vật sẽ bảo toàn vận tốc. Nhờ tin vào điều đó mà Galilê và Newton đã phát hiện ra mọi vật đều có quán tính.
Nh−ng ý nghĩa quan trọng mà định luật I mang lại cho khoa học là phát hiện ra hệ quy chiếu quán tính. Thật vậy, theo định luật I Newton thì các vật tự do sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Nếu ta đứng trong hệ quy chiếu gắn với
h 1 2
vật tự do thì sẽ quan sát các vật tự do khác đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Có rất nhiều hệ quy chiếu gắn với các vật tự do nh− vậy và chúng đều t−ơng đ−ơng nhau. Những hệ quy chiếu đó gọi là hệ quy chiếu quán tính.
Một câu hỏi đã từ lâu đ−ợc nhiều ng−ời quan tâm: định luật I có phải là tr−ờng hợp riêng của định luật II hay không? Nếu nh− vậy thì cần gì phải trình bày định luật I? Về hình thức thì định luật I có thể suy ra từ định luật II. Thật vậy, từ công thức của định luật II F = ma khi F = 0 thì a = 0. Nh−ng định luật I vẫn luôn là một định luật độc lập vì nó bao hàm những nội dung quan trọng nh− vừa trình bày ở trên. Ngoài ra, định luật I còn chứa một nội dung rất quan trọng khác: tính đồng nhất của thời gian, tính đồng chất và đẳng h−ớng của không gian. Thời gian trôi đi nh− nhau trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau. Mọi điểm trong không gian, mọi ph−ơng trong không gian đều bình đẳng nh− nhau. Đây chính là t− t−ởng thống soái làm cơ sở để xây dựng cơ học Newton và vật lý học cổ điển.