Lực tiếp xúc và lực trường trong Vật lý HSC

Đặt một quyển sách giáo khoa lên bàn. Nó nằm yên. Nghe có vẻ đơn giản, cho đến khi bạn đặt câu hỏi: thực sự có những lực nào đang tác dụng lên quyển sách, và những vật nào đang tác dụng các lực đó?

Bạn có thể nói rằng trọng lực kéo quyển sách xuống và mặt bàn đẩy nó lên. Đúng. Bây giờ hãy nhấc quyển sách lên bằng tay. Trọng lực có biến mất không? Tất nhiên là không. Quyển sách vẫn tương tác với Trái Đất, nhưng mặt bàn không còn tương tác với quyển sách nữa.

Điều này cho chúng ta một cách phân biệt hữu ích. Một số lực đòi hỏi các vật phải tiếp xúc với nhau. Những lực khác vẫn có thể tác dụng khi các vật cách xa nhau.

Trước khi gọi tên chính thức, hãy thử dự đoán. Một nam châm được giữ cách một chiếc kẹp giấy bằng thép vài centimét. Chiếc kẹp giấy bật lên trước khi nam châm chạm vào nó. Lực từ có phải là lực tiếp xúc không?

Không. Lực đã tồn tại khi giữa hai vật vẫn còn một khoảng cách. Vì vậy, đó là một lực trường.

01Câu hỏi đầu tiên cần đặt ra: vật nào đang tương tác với vật nào?

Lực không phải là thứ mà một vật đơn giản là “có”. Lực là một tương tác giữa hai vật.

Khi xác định một lực, hãy thử hoàn thành câu sau:

Lực tác dụng lên ___ do ___ tác dụng.

Đối với quyển sách giáo khoa đặt trên bàn:

• Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn lên quyển sách.
• Mặt bàn tác dụng lực pháp tuyến lên quyển sách.

Cách diễn đạt này giúp tránh một lỗi rất phổ biến. Học sinh thường liệt kê tên các lực mà không xác định nguồn của chúng. Viết “lực pháp tuyến” sẽ kém hữu ích hơn viết “lực pháp tuyến tác dụng lên quyển sách do mặt bàn tác dụng”.

Bạn có thể hình dung một lực giống như một thông điệp luôn cần cả người gửi lẫn người nhận. “Tôi nhận được một tin nhắn” cho bạn biết rằng có điều gì đó đã xảy ra, nhưng “Tôi nhận được một tin nhắn từ Mia” cho bạn biết nó đến từ đâu. Với lực cũng tương tự: hãy xác định vật chịu lực và vật gây ra tương tác.

Phép so sánh này có giới hạn vì lực không phải là những thông điệp thực sự truyền giữa các vật. Đây chỉ là một cách để ghi nhớ rằng mỗi lực đều biểu diễn một tương tác.

02Lực tiếp xúc cần có sự tiếp xúc vật lý

Một lực tiếp xúc tác dụng khi hai vật đang chạm nhau.

Các ví dụ thường gặp trong HSC gồm:

Giả sử bạn tựa người vào một bức tường. Vai của bạn đẩy vào tường, và tường đẩy ngược lại vai bạn. Bức tường không cần có cơ bắp để “đẩy”. Lực phát sinh từ các tương tác giữa các nguyên tử trong hai bề mặt.

Ở cấp độ vi mô, nhiều lực tiếp xúc cuối cùng bắt nguồn từ các tương tác điện từ giữa các hạt mang điện. Tuy nhiên, trong cách phân loại lực của HSC, chúng ta gọi chúng là lực tiếp xúc vì các vật tiếp xúc vật lý với nhau ở quy mô vĩ mô.

Lực pháp tuyến là lực do bề mặt tác dụng

Từ normal ở đây không có nghĩa là bình thường. Trong toán học và vật lý, normal có nghĩa là vuông góc.

Vì vậy, lực pháp tuyến tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt tạo ra nó.

Nếu một quyển sách nằm trên một chiếc bàn nằm ngang, lực pháp tuyến của bàn có phương thẳng đứng.

Nếu một khối vật nằm trên một mặt phẳng nghiêng, lực pháp tuyến không có phương thẳng đứng. Nó hướng vuông góc với mặt phẳng nghiêng.

Đó là lý do việc ghi nhớ máy móc rằng “lực pháp tuyến hướng lên trên” có thể gây nhầm lẫn. Nó chỉ hướng thẳng lên trên khi bề mặt liên quan nằm ngang.

Lực ma sát tác dụng dọc theo bề mặt tiếp xúc

Lực ma sát tác dụng song song với các bề mặt đang tiếp xúc.

Một quy tắc dễ khiến người ta tin là:

Lực ma sát luôn hướng ngược với chuyển động.

Quy tắc đó quá đơn giản.

Lực ma sát chống lại sự trượt tương đối hoặc xu hướng trượt tương đối giữa các bề mặt tiếp xúc.

Hãy hình dung bạn đang đi về phía trước. Bàn chân của bạn đẩy mặt đất về phía sau. Lực ma sát nghỉ từ mặt đất đẩy bàn chân bạn về phía trước. Vì vậy, lực ma sát tác dụng lên bạn có thể cùng hướng với chuyển động tổng thể của bạn.

Hướng của lực ma sát phụ thuộc vào xu hướng chuyển động tương đối giữa hai bề mặt, chứ không chỉ phụ thuộc vào hướng chuyển động của toàn bộ vật.

Lực căng xuất phát từ một vật nối bị kéo căng

Một sợi dây nối với một thùng hàng có thể kéo thùng, nhưng không thể đẩy thùng.

Lực mà sợi dây tác dụng lên thùng được gọi là lực căng. Hướng của lực này nằm dọc theo sợi dây và hướng ra xa vật đang bị kéo.

Hãy cẩn thận khi xác định nguồn của lực. Nếu một người dùng dây để kéo một thùng hàng, lực trực tiếp tác dụng lên thùng thường do sợi dây tác dụng, không phải do bàn tay của người đó.

Người tương tác với sợi dây. Sợi dây tương tác với thùng.

Sự phân biệt này trở nên quan trọng khi vẽ sơ đồ lực.

03Lực trường có thể tác dụng qua một khoảng cách

Bây giờ hãy quay lại với chiếc kẹp giấy và nam châm. Không có sự tiếp xúc vật lý, nhưng chiếc kẹp giấy vẫn gia tốc.

Một lực trường có thể tác dụng giữa các vật không chạm nhau.

Ba loại tương tác trường quan trọng nhất trong Vật lý HSC là:

Khái niệm trường cho chúng ta một cách mô tả việc một vật có thể chịu lực tại vị trí của nó mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn gây lực.

Ví dụ, Trái Đất tạo ra một trường hấp dẫn xung quanh nó. Một quyển sách được đặt trong trường đó sẽ chịu lực hấp dẫn.

Ở giai đoạn này, quy tắc phân loại quan trọng khá đơn giản:

Nếu các vật tương tác bắt buộc phải chạm nhau, hãy phân loại lực đó là lực tiếp xúc. Nếu tương tác có thể xảy ra khi các vật cách nhau, hãy phân loại nó là lực trường.

Quy tắc này rất hữu ích, nhưng cần được bổ sung một điểm. Một lực trường vẫn có thể tác dụng khi các vật tình cờ đang chạm nhau. Việc phân loại phụ thuộc vào loại tương tác, chứ không chỉ phụ thuộc vào việc hiện tại giữa các vật có khoảng cách hay không.

Một quyển sách đặt trên Trái Đất vẫn chịu lực trường hấp dẫn, mặc dù thông qua sàn nhà và mặt bàn, nó đồng thời được nâng đỡ bởi các lực tiếp xúc.

04Trọng lượng là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng

Học sinh đôi khi coi “trọng lượng” như một tính chất nằm sẵn bên trong một vật. Sẽ chính xác hơn nếu xác định tương tác.

Gần bề mặt Trái Đất, trọng lượng của một vật là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên vật đó.

Độ lớn của lực này là

\[ F_g = mg \]

trong đó \(F_g\) là lực hấp dẫn tính bằng newton (N), \(m\) là khối lượng tính bằng kilogram (kg), và \(g\) là cường độ trường hấp dẫn tính bằng newton trên kilogram (N kg\(^{-1}\)).

Gần bề mặt Trái Đất, \(g\) xấp xỉ \(9.8\text{ N kg}^{-1}\).

Vì vậy, khối lượng và trọng lượng không phải là cùng một đại lượng. Khối lượng mô tả mức quán tính của một vật. Trọng lượng là một lực phát sinh từ tương tác hấp dẫn.

05Đừng tự thêm một lực chỉ vì vật đang chuyển động

Giả sử một quả puck khúc côn cầu trượt sang phải trên một mặt băng gần như không có ma sát.

Sau khi quả puck rời khỏi gậy của người chơi, lực nào đẩy nó tiếp tục về phía trước?

Câu trả lời có thể là không có lực nào.

Điều này có thể nghe lạ nếu bạn vẫn mang quan niệm thường ngày rằng chuyển động cần một lực đẩy liên tục. Định luật I Newton cho biết điều ngược lại. Lực cần thiết để làm thay đổi vận tốc, chứ không phải để duy trì vận tốc không đổi.

Khi cây gậy không còn chạm vào quả puck, cây gậy cũng không còn tác dụng lực tiếp xúc lên nó.

Quả puck có thể tiếp tục chuyển động về phía trước nhờ quán tính.

Trên Trái Đất, nó vẫn chịu lực hấp dẫn từ Trái Đất và lực pháp tuyến từ mặt băng. Nếu lực cản đủ nhỏ để bỏ qua, có thể hoàn toàn không có lực nào theo phương ngang.

Điều này cho bạn một cách kiểm tra rất hữu ích khi xác định lực:

Đừng vẽ một lực chỉ vì một vật đang chuyển động theo hướng đó. Hãy tìm một vật thực sự đang tương tác và có thể tác dụng lực ấy.

Nếu bạn không thể chỉ ra nguồn của lực, lực đó đáng bị nghi ngờ.

06Sơ đồ lực chỉ nên chứa các lực tác dụng lên vật được chọn

Hãy xét một chiếc hộp được kéo trên một sàn nhám bằng một sợi dây.

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán những lực bạn sẽ vẽ tác dụng lên chiếc hộp.

Bạn nên xác định bốn tương tác:

1. Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn hướng xuống.
2. Sàn tác dụng lực pháp tuyến lên hộp.
3. Sàn tác dụng lực ma sát lên hộp.
4. Sợi dây tác dụng lực căng lên hộp.

Hãy chú ý những gì không có trong danh sách. Chiếc hộp có thể tác dụng lực lên Trái Đất, sàn và sợi dây, nhưng những lực đó không thuộc sơ đồ lực của chiếc hộp.

Một sơ đồ vật tự do cô lập một vật và chỉ biểu diễn các lực ngoài đang tác dụng lên vật đó.

Một cách ký hiệu hữu ích là

\[ F_{\text{nguồn tác dụng lên vật}} \]

Ví dụ, \(F_{\text{Trái Đất tác dụng lên hộp}}\) có nghĩa là lực do Trái Đất tác dụng lên chiếc hộp.

Bạn không cần dùng ký hiệu này trong mọi trường hợp, nhưng suy nghĩ theo cách đó giúp việc xác định lực đáng tin cậy hơn nhiều.

07Tiếp xúc so với trường không đồng nghĩa với đẩy so với kéo

Ta rất dễ muốn phân loại lực bằng ngôn ngữ đời thường: lực tiếp xúc thì “đẩy”, còn lực trường thì “kéo”.

Cách đó không đúng.

Một sợi dây tạo ra lực tiếp xúc và kéo.

Lực pháp tuyến là lực tiếp xúc và thường đẩy.

Lực hấp dẫn gây hút.

Lực điện có thể hút hoặc đẩy.

Tương tác từ cũng có thể gây hút hoặc đẩy tùy thuộc vào hệ.

Vì vậy, hãy dựa vào tương tác, không phải động từ dùng trong đời thường:

Loại lực này có yêu cầu các vật đang tương tác phải tiếp xúc vật lý với nhau không?

Nếu có, đó là lực tiếp xúc. Nếu không, đó là lực trường.

08Một phương pháp đáng tin cậy để xác định lực

Khi một bài toán về lực trở nên phức tạp, hãy luôn sử dụng cùng một trình tự:

1. Chọn vật mà bạn đang phân tích. Không trộn lẫn các lực tác dụng lên những vật khác nhau.
2. Liệt kê các vật đang tương tác với nó. Hãy tìm Trái Đất, các bề mặt, dây, chất lưu, nam châm, điện tích và những vật khác đang tiếp xúc.
3. Gọi tên lực do mỗi tương tác tạo ra. Ví dụ, Trái Đất tạo ra lực hấp dẫn, một bề mặt có thể tạo ra lực pháp tuyến và lực ma sát, còn một sợi dây tạo ra lực căng.
4. Phân loại tương tác. Xác định đó là lực tiếp xúc hay lực trường.
5. Kiểm tra nguồn của lực. Hoàn thành cụm từ “lực tác dụng lên ___ do ___ tác dụng”.
6. Chỉ sau đó mới áp dụng các định luật Newton. Sơ đồ lực cho bạn biết những lực nào phải xuất hiện trong phương trình.

Phương pháp này an toàn hơn việc học thuộc các tập hợp mũi tên vì nó vẫn áp dụng được trong những tình huống không quen thuộc.

09Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một chiếc cốc nằm yên trên một chiếc bàn nằm ngang. Hãy xác định tất cả các lực tác dụng lên chiếc cốc, nêu rõ vật nào tác dụng từng lực và phân loại mỗi lực là lực tiếp xúc hay lực trường.

Lời giải 1

Có hai lực tác dụng lên chiếc cốc: lực hấp dẫn từ Trái Đất và lực pháp tuyến từ mặt bàn.

Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn hướng xuống lên chiếc cốc. Lực hấp dẫn là một lực trường vì tương tác hấp dẫn không yêu cầu tiếp xúc vật lý.

Mặt bàn tác dụng lực pháp tuyến hướng lên trên lên chiếc cốc. Lực pháp tuyến là một lực tiếp xúc vì nó tồn tại do sự tiếp xúc giữa chiếc cốc và mặt bàn.

Vì chiếc cốc đứng yên nên gia tốc của nó bằng không, do đó hai lực này có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau.

Một lỗi thường gặp là thêm một “lực trọng lượng” riêng và một “lực hấp dẫn” riêng. Trong trường hợp này, chúng không phải là hai lực khác nhau. Trọng lượng của chiếc cốc chính là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên nó.

Câu hỏi 2

Một người đi xe đạp đang chuyển động về phía trước trên một con đường bằng phẳng mà không bị trượt. Tại một thời điểm, lốp sau đẩy mặt đường về phía sau. Mặt đường tác dụng lực theo phương ngang nào lên lốp sau, đó là loại lực gì, và tại sao lực này có thể cùng hướng với chuyển động của người đi xe đạp?

Lời giải 2

Mặt đường tác dụng một lực ma sát nghỉ hướng về phía trước lên lốp sau, và đó là lực tiếp xúc.

Lốp xe đẩy mặt đường về phía sau tại điểm tiếp xúc của chúng. Mặt đường tác dụng một lực tương ứng hướng về phía trước lên lốp xe.

Lực này là lực ma sát nghỉ vì lốp đang lăn mà không trượt tại điểm tiếp xúc.

Lực ma sát không tự động chống lại chuyển động của toàn bộ vật. Nó chống lại sự trượt tương đối, hoặc xu hướng trượt tương đối, giữa các bề mặt. Ở đây, lốp xe có xu hướng đẩy lùi về phía sau trên mặt đường, nên lực ma sát do mặt đường tác dụng lên lốp hướng về phía trước.

Sai lầm dễ mắc là nói: “Người đi xe đạp đang chuyển động về phía trước, nên lực ma sát phải hướng về phía sau.” Quy tắc đó không đúng vì nó bỏ qua tương tác giữa hai bề mặt.

Câu hỏi 3

Một kiện hàng khối lượng \(3.5\text{ kg}\) treo đứng yên bằng một sợi dây nhẹ thẳng đứng bên trong một thang máy đứng yên. Hãy xác định các lực tác dụng lên kiện hàng, phân loại từng lực và tính lực căng của dây. Dùng \(g = 9.8\text{ N kg}^{-1}\).

Lời giải 3

Kiện hàng chịu một lực hấp dẫn \(34.3\text{ N}\) hướng xuống và một lực căng \(34.3\text{ N}\) hướng lên. Lực hấp dẫn là lực trường, còn lực căng là lực tiếp xúc.

Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn:

\[ F_g = mg = (3.5\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 34.3\text{ N} \]

Sợi dây tác dụng lực căng hướng lên trên lên kiện hàng.

Vì kiện hàng đứng yên nên gia tốc của nó bằng không. Do đó, hợp lực bằng không:

\[ F_T - F_g = 0 \]

suy ra

\[ F_T = 34.3\text{ N} \]

Kết quả này có nghĩa là lực kéo hướng lên của sợi dây cân bằng chính xác với lực hấp dẫn hướng xuống của Trái Đất.

Không có lực pháp tuyến tác dụng lên kiện hàng vì nó không tựa vào một bề mặt nào. Việc kiện hàng nằm bên trong thang máy không tự động có nghĩa là “thang máy” tác dụng lực lên nó. Chỉ những vật thực sự tương tác với kiện hàng mới thuộc sơ đồ lực của kiện hàng.

Câu hỏi 4

Một quả cầu thép nhỏ được treo bằng một sợi dây. Một nam châm mạnh được đưa đến gần quả cầu mà không chạm vào nó, khiến sợi dây nghiêng về phía nam châm. Một học sinh nói: “Lực từ chắc chắn phải là lực tiếp xúc vì cuối cùng quả cầu tiến lại gần hơn và có thể chạm vào nam châm.”

Học sinh đó có đúng không? Hãy xác định các lực tác dụng lên quả cầu trước khi nó chạm vào nam châm và phân loại từng lực.

Lời giải 4

Học sinh đó không đúng. Lực từ là lực trường vì nó tác dụng khi nam châm và quả cầu vẫn còn cách nhau.

Trước khi quả cầu chạm vào nam châm, có ba lực có thể tác dụng lên nó:

• Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn hướng xuống. Đây là lực trường.
• Sợi dây tác dụng lực căng dọc theo sợi dây. Đây là lực tiếp xúc.
• Nam châm tác dụng lực từ hướng về phía nam châm. Đây là lực trường.

Việc phân loại phụ thuộc vào bản chất của tương tác, chứ không phụ thuộc vào điều có thể xảy ra sau đó. Quan sát thấy quả cầu bắt đầu gia tốc khi vẫn còn một khoảng cách giữa hai vật là bằng chứng trực tiếp cho thấy tương tác từ không yêu cầu tiếp xúc vật lý.

Nếu sau đó quả cầu chạm vào nam châm, một lực tiếp xúc bổ sung có thể xuất hiện giữa các bề mặt của chúng. Điều đó không biến bản thân tương tác từ thành một lực tiếp xúc.

Câu hỏi 5

Một tàu vũ trụ ở rất xa các hành tinh bật động cơ trong vài giây rồi tắt động cơ. Bỏ qua lực hấp dẫn từ các vật thể ở xa và các va chạm với các hạt.

Sau khi động cơ tắt, tàu vũ trụ tiếp tục chuyển động sang phải với vận tốc không đổi.

Một học sinh vẽ một “lực chuyển động” hướng sang phải tác dụng lên tàu vũ trụ vì nó vẫn đang chuyển động sang phải. Hãy giải thích liệu lực đó có nên xuất hiện hay không. Sau đó, hãy xác định tình huống này cho thấy điều gì về mối quan hệ giữa lực và chuyển động.

Lời giải 5

“Lực chuyển động” hướng sang phải không nên xuất hiện vì sau khi động cơ tắt, không có vật nào được xác định là đang tác dụng lực đó lên tàu vũ trụ.

Khi động cơ đang hoạt động, vật chất được phụt ra tương tác với tàu vũ trụ và tạo ra lực đẩy. Khi tương tác đó không còn tạo lực đẩy nữa, không có lý do gì để tiếp tục vẽ một lực hướng về phía trước chỉ vì tàu vũ trụ vẫn đang chuyển động.

Với các giả thiết đã cho, hợp lực sau khi động cơ tắt bằng không:

\[ \sum F = 0 \]

Theo định luật I Newton, tàu vũ trụ sau đó sẽ chuyển động với vận tốc không đổi. Nó tiếp tục chuyển động sang phải mà không cần một lực liên tục hướng sang phải.

Điểm dễ nhầm là đánh đồng vận tốc với lực. Lực liên quan đến gia tốc, tức là sự thay đổi vận tốc. Một vật có thể có vận tốc khác không trong khi hợp lực tác dụng lên nó bằng không.

Đó là lý do việc xác định vật tác dụng từng lực không chỉ là một bài tập ghi nhãn. Nó giúp bạn tránh tự tạo ra các lực chỉ để phù hợp với chuyển động mà bạn quan sát thấy.

Khi bạn đã có thể xác định một cách đáng tin cậy các lực tiếp xúc và lực trường cũng như nguồn của chúng, bước tiếp theo là kết hợp các lực đó thành hợp lực. Đây là điểm mà các sơ đồ lực liên hệ trực tiếp với các định luật Newton: các tương tác cho bạn biết những lực nào tồn tại, còn hợp lực của chúng cho bạn biết vận tốc của vật sẽ thay đổi như thế nào.