Ứng dụng và Hạn chế của Định luật Newton

Jul 29 2008

Một số giới hạn của các định luật Newton tồn tại khi bạn đạt đến cấp độ nguyên tử. Tìm hiểu lý do tại sao những hạn chế này của các định luật Newton lại dẫn đến cơ học lượng tử.

Mặt trăng có chuyển động quanh Trái đất giống như cách một hòn đá quay quanh đầu sợi dây không?

Tự bản thân nó, ba định luật chuyển động là một thành tựu vượt bậc, nhưng Newton không dừng lại ở đó. Ông lấy những ý tưởng đó và áp dụng chúng vào một vấn đề khiến các nhà khoa học đau đầu trong nhiều năm - chuyển động của các hành tinh. Copernicus đặt mặt trời ở trung tâm của một nhóm hành tinh và mặt trăng quay quanh, trong khi nhà thiên văn học người Đức Johannes Kepler chứng minh rằng hình dạng của quỹ đạo hành tinh là hình elip, không phải hình tròn. Nhưng không ai có thể giải thích cơ học đằng sau chuyển động này. Sau đó, khi câu chuyện tiếp diễn, Newton nhìn thấy một quả táo rơi xuống đất và bị cảm hứng tóm lấy. Quả táo rơi có thể liên quan đến một hành tinh hoặc mặt trăng quay ? Newton đã tin như vậy. Đây là quá trình suy nghĩ của anh ấy để chứng minh điều đó:

Theo định luật thứ hai, một quả táo rơi xuống đất phải chịu tác dụng của một lực . Lực đó là lực hấp dẫn , khiến quả táo tăng tốc về phía trung tâm Trái đất .
Newton lý luận rằng mặt trăng cũng có thể chịu tác động của lực hấp dẫn của Trái đất, nhưng ông phải giải thích tại sao mặt trăng không rơi vào Trái đất. Không giống như quả táo rơi, nó di chuyển song song với bề mặt Trái đất.
Anh tự hỏi, nếu mặt trăng di chuyển quanh trái đất theo cách giống như một viên đá quay quanh đầu sợi dây thì sao? Nếu người giữ sợi dây buông ra - và do đó ngừng tác dụng một lực - hòn đá sẽ tuân theo định luật quán tính và tiếp tục chuyển động theo đường thẳng, giống như một tiếp tuyến kéo dài từ chu vi của vòng tròn.
Nhưng nếu người giữ sợi dây không buông ra, viên đá sẽ đi theo một đường tròn, giống như mặt của một chiếc đồng hồ. Trong tích tắc, viên đá sẽ ở vị trí 12 giờ. Tiếp theo, sẽ là lúc 3 giờ. Một lực cần thiết để kéo hòn đá vào trong để nó tiếp tục đường tròn hoặc quỹ đạo của nó. Lực đến từ người giữ dây.
Tiếp theo, Newton lý luận rằng mặt trăng quay quanh Trái đất cũng giống như viên đá quay xung quanh trên sợi dây của nó. Trái đất đóng vai trò là người giữ sợi dây, tác động một lực hướng vào mặt trăng. Lực này được cân bằng bởi quán tính của mặt trăng, cố gắng giữ cho mặt trăng chuyển động theo phương thẳng tiếp tuyến với đường tròn.
Cuối cùng, Newton đã mở rộng dòng suy luận này cho bất kỳ hành tinh nào quay quanh mặt trời. Mỗi hành tinh có chuyển động quán tính được cân bằng bởi một lực hấp dẫn đến từ tâm của mặt trời.

Đó là một cái nhìn sâu sắc tuyệt vời - một cái nhìn cuối cùng đã dẫn đến định luật vạn vật hấp dẫn. Theo định luật này, hai vật thể bất kỳ trong vũ trụ hút nhau bằng một lực phụ thuộc vào hai điều: khối lượng của các vật thể tương tác và khoảng cách giữa chúng. Các vật thể có khối lượng lớn hơn thì có lực hấp dẫn lớn hơn. Khoảng cách làm giảm sức hút này. Newton đã diễn đạt điều này một cách toán học trong phương trình này:

F = G (m1m2 / r2)

trong đó F là lực hấp dẫn giữa các khối lượng m1 và m2 , G là hằng số phổ quát và r là khoảng cách giữa các tâm của cả hai khối lượng.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học ở mọi lĩnh vực đã thử nghiệm các định luật chuyển động của Newton và nhận thấy chúng có khả năng tiên đoán và đáng tin cậy đáng kinh ngạc. Nhưng có hai trường hợp vật lý Newton bị phá vỡ. Đầu tiên liên quan đến các vật thể di chuyển bằng hoặc gần tốc độ ánh sáng. Vấn đề thứ hai xảy ra khi các định luật của Newton được áp dụng cho các vật thể rất nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử hoặc các hạt hạ nguyên tử nằm trong lĩnh vực cơ học lượng tử .

Tuy nhiên, những hạn chế này sẽ không làm mất đi những thành tựu của ông, vì vậy hãy lật sang trang tiếp theo để biết thêm thông tin về Isaac Newton và các thiên tài khác.

Xuất bản lần đầu: 29 tháng 7, 2008

Câu hỏi thường gặp về Định luật Chuyển động của Newton

Ba định luật chuyển động của Newton được gọi là gì?

Ba định luật này tạo thành nền tảng của cơ học cổ điển, ngành khoa học liên quan đến chuyển động của các vật thể được tác động bởi các lực.

Định luật thứ hai của Newton là gì?

Định luật thứ hai về chuyển động của Newton phát biểu rằng lực bằng với sự thay đổi của động lượng trên mỗi sự thay đổi của thời gian. Đối với một khối lượng không đổi, lực bằng khối lượng nhân với gia tốc.

Định luật chuyển động đầu tiên của Newton là gì?

Định luật quán tính nói rằng một vật thể ở trạng thái nghỉ sẽ ở trạng thái nghỉ vĩnh viễn, miễn là không có gì đẩy hoặc kéo lên vật đó. Một vật thể đang chuyển động sẽ luôn chuyển động, chuyển động trên một đường thẳng, mãi mãi, cho đến khi một vật nào đó (một lực) đẩy hoặc kéo lên vật đó.

Định luật chuyển động thứ ba của Newton là gì?

Đó là quy luật của các cặp lực: Mọi lực đều có sự tương tác của hai vật. Khi một vật tác dụng lực lên vật thứ hai thì vật thứ hai cũng tác dụng lực lên vật thứ nhất. Hai lực có độ lớn bằng nhau và có phương ngược chiều nhau.

Ứng dụng và Hạn chế của Định luật Newton

Câu hỏi thường gặp về Định luật Chuyển động của Newton

Ba định luật chuyển động của Newton được gọi là gì?

Định luật thứ hai của Newton là gì?

Định luật chuyển động đầu tiên của Newton là gì?

Định luật chuyển động thứ ba của Newton là gì?

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

Nguồn