2.1. Phân tích nội dung khoa học kiến thức “Động lực học chất điểm”
Trong chương “Động học chất điểm” chúng ta đã nghiên cứu chuyển động của chất điểm mà không xét đến những nguyên nhân gây ra hoặc làm biến đổi trạng thái chuyển động. Trong chương “Động lực học chất điểm” chúng ta nghiên cứu chuyển động của chất điểm trong sự tương tác với các chất điểm khác, nghĩa là dưới tác dụng của các lực đặt vào nó.
Ba định luật Niu-tơn được Niu-tơn trình bày vào năm 1687 là cơ sở của cơ học cổ điển. Về thực chất các định luật Niu-tơn là những tiên đề, những khẳng định tổng quát nhất, không thể chứng minh được, không thể suy ra từ những khẳng định khác. Khi thừa nhận những tiên đề này, người ta đã xây dựng cơ học cổ điển, với những định luật áp dụng đúng trong thực tiễn không những trên trái đất mà còn cả những miền vũ trụ lân cận với trái đất nữa.
2.1.1. Định luật I Niu-tơn
Định luật I Niu-tơn được phát biểu như sau: “Nếu không có lực ngoài tác
dụng vào vật thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều”.
Theo định luật này, đứng yên và chuyển động thẳng đều cùng một trạng thái cơ học như nhau: trạng thái chuyển động với vận tốc không đổi. Đứng yên là chuyển động với vận tốc không đổi bằng không. Chuyển động với vận tốc giữ nguyên không đổi là chuyển động theo quán tính. Định luật thứ nhất
Niu-tơn cũng gọi là định luật quán tính.
Quán tính là tính chất của các vật giữ nguyên không đổi trạng thái chuyển động của mình khi không có lực ngoài tác dụng lên chúng, hoặc khi các lực ngoài tác dụng lên chúng cân bằng nhau.
Chuyển động theo quán tính là chuyển động vốn đã có sẵn ở một vật không chịu tác dụng của lực ngoài. Lực tác dụng lúc ta xét không gây ra vận tốc mà chỉ làm thay đổi vận tốc của vật.
Hệ quy chiếu trong đó Định luật I Niu-tơn được nghiệm đúng gọi là hệ quy chiếu quán tính. Có vô số hệ quy chiếu quán tính. Ví dụ Niu-tơn đã chọn một hệ quy chiếu lấy gốc ở tâm Mặt Trời và có ba trục tọa độ đi qua ba ngôi sao bất động trên bầu trời. Người ta gọi hệ quy chiếu này là hệ quy chiếu Nhật tâm.
Trong trường hợp không đòi hỏi độ chính xác cao, ta có thể chọn hệ quy chiếu quán tính là một hệ gắn với tâm Trái Đất, hoặc gắn liền với một điểm trên mặt đất. Một hệ quy chiếu gắn với mặt đất là đủ thích hợp để Định luật quán tính được nghiệm đúng đối với chuyển động của một đoàn tàu, một chiếc máy bay phản lực,…
2.1.2. Định luật II Niu-tơn
Theo Định luật Niu-tơn thứ nhất, một vật không có lực ngoài tác dụng sẽ giữ nguyên chuyển động quán tính của nó. Vậy khi lực ngoài tác dụng nó sẽ làm biến đổi chuyển động của vật như thế nào? Định luật Niu-tơn thứ hai sẽ trả lời câu hỏi đó.
Nội dung của Định luật II Niu-tơn: “Gia tốc của một vật thu được dưới
tác dụng của một lực tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Phương và chiều của gia tốc trùng với phương và chiều của lực tác dụng”.
lượng của vật với gia tốc của nó bằng lực tác dụng vào vật” Biểu thức: F a m = r r hay F mar = r trong đó, F: là lực tác dụng (N) m: Khối lượng của vật (kg) a: Gia tốc của vật (m/s2).
Định luật II Niu-tơn phát biểu như trên chỉ áp dụng được trong trường hợp khối lượng của vật là không đổi. Ta biết rằng khối lượng của một hạt chuyển động với vận tốc lớn so với vận tốc ánh sáng tăng lên đáng kể hay khối lượng của một tên lửa cũng giảm dần vì nhiên liệu bị đốt cháy và phụt dần ra ngoài. Vì vậy ta cần đưa dạng tổng quát của Định luật II Niu-tơn.
Định luật Niu-tơn thứ hai phát biểu dưới dạng tổng quát như sau: Độ biến thiên động lượng của vật theo thời gian bằng lực tác dụng và cùng hướng với lực. Biểu thức : dP d(mv) F dt dt = = × ur uur r
Động lượng (cũng gọi là xung lượng) của một vật chuyển động là một vectơ bằng tích của khối lượng với vận tốc của vật đó.