Cơ học Newton:

Phát minh ra 3 định luật về chuyển động

Phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn

Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên

là một tác phẩm gồm 3 tập của Isaac Newton được xuất bản vào 5 tháng 7, 1687. Newton băt đâu

nghiên cưu về cơ học tư khi ngay con là sinh viên. Ông đa co nhưng đong gop to lơn cho cơ học

trong các linh vưc: cơ học cô điển, cơ ly thuyêt và cơ học thiên thể được trinh bày trong tác

phẩm “ Nhưng nguyên ly toán học của triêt học tư nhiên” xuất bản năm 1687. Cung cân nhấn

mạnh răng tác phẩm vi đại này đa được Newton viêt trong vong 18 tháng, trong thơi gian này do

quá say sưa vơi viêc viêt sách mà ông đa quên ăn, quên ngủ. Sau này các nhà khoa học đa nhận

định răng chi co bộ oc siêu phàm, co sưc làm viêc siêu phàm mơi co thể hoàn tất một công trinh

vi đại trong một thơi gian rất ngăn ngủi như vậy.

Toàn bộ quyển sách được viêt băng tiêng Latinh, vôn là phương tiên giao tiêp của giơi khoa học

luc bấy giơ. Cuôn sách sư dung nhưng ngôn ngư toán học rất kho hiểu, mà theo Newton thi

“ngay cả nhưng độc giả co trinh độ toán học cao cung phải mất nhiều công phu mơi hiểu được”.

Cuôn sách gồm ba tập: tập 1 noi về chuyển động của các vật trong môi trương co sưc cản, tập 2

noi về chuyển động của các vật trong môi trương co sưc cản, tập 3 noi về viêc ưng dung hai tập

trên vào viêc giải thich hê măt trơi. Vi vậy tom lược tác phẩm của Newton băng nhưng lơi le

thông thương là một điều kho khăn nêu không noi là một điều không thể làm được.

Cách trinh bày của Newton về các khái niêm và các nguyên ly của động lưc học trong tập đa trơ

thành nền mong cho sách giáo khoa môn cơ học ngày nay. Ông băt đâu công trinh của minh

băng viêc xây dưng các khái niêm cơ bản của cơ học.

1.Những khai niêm cơ ban của cơ học Newton.

a.Lương vât chât.

Lượng vật chất là sô đo vật chất, no ti lê vơi mật độ và thể tich của vật. Trong nhưng phân sau

của cuôn sách, Newton gọi lượng chất là khôi lượng.

Cung cân chu y răng khái niêm “lượng vật chất” co nội dung khác nhau giưa Descartes và

Newton:

+Theo quan niêm của Descartes thi vu tru chưa đây vật chất, không co chân không trong vu tru.

Vi vậy thể tich của vật đủ để xác định lượng vật chất trong vật.

+Theo quan niêm của Newton thi vu tru gồm các nguyên tư chuyển động trong không gian trông

rông, vi vậy lượng vật chất chinh là sô lượng nguyên tư. Thể tich của vật càng lơn, mật độ phân

bô các nguyên tư càng lơn. Ro ràng răng Newton đa xây dưng khái niêm khôi lượng chinh xác

hơn Descartes.

Tiêp theo, Newton đa đăt vấn đề đo khôi lượng của vật, một vấn đề mà trươc đo chưa ai đề cập

đên. Dưa trên thi nghiêm vơi các loại con lăc và các thi nghiêm về sư rơi tư do, ông đa rut ra các

kêt luận quan trọng: gia tôc rơi tư do không phu thuộc vào khôi lượng của vật.

Ông cung khăng định khôi lượng và trọng lượng ty lê vơi nhau. Vi vậy co thể dung cân để xác

định “lượng vật chất”.

Sau khi tim ra định luật II ông đa xác định một đăc trưng nội tại của vật, đo là quán tinh.Ông đa

định nghia quán tinh là khả năng vôn co của vật chông lại sư thay đôi trạng thái chuyển động.

Tư các kêt quả nghiên cưu ông khăng định quán tinh của một vật ty lê vơi khôi lượng của no. Vi

thê ngày nay khôi lượng được hiểu một cách tông quát nhất là: khôi lượng là một đại lượng đăc

trưng cho mưc quán tinh của vật.

b.Đông lương.

Động lượng là sô đo chuyển động, no ty lê vơi khôi lượng và vận tôc.

Descartes cung đa định nghia động lượng tương tư như vậy nhưng ông chưa hiểu được vận tôc là

một đại lượng vecto vi vậy ông chưa nhận ra được động lượng cung là một đại lượng vecto.

Khi xây dưng khái niêm động lượng, Newton đa nhận thấy ro vận tôc là một đại lượng vecto và

ông đa phát biểu quy tăc hinh binh hành vận tôc.

c.Lực

Lưc là tác dung thưc hiên lên một vật để thay đôi trạng thái đưng yên hay chuyển động thăng đều

của no.

Tác dung này co thể thưc hiên trưc tiêp băng va chạm hoăc thưc hiên tư xa bơi một tâm lưc nào

đo.

Như vậy, trong tác phẩm “Nhưng nguyên ly triêt học của toán học tư nhiên” lân đâu tiên các khái

niêm cơ bản của cơ học đa được Newton định nghia một cách chinh xác.

d.Không gian va thơi gian trong cơ học.

Newton đa định nghia được nhưng khái niêm cơ bản của cơ học, nhưng để xây dưng cơ học cân

đên hê quy chiêu vi nêu không chi ra được hê quy chiêu thi noi đên chuyển động là vô nghia. Vi

vậy, ông đa đưa vào các tác phẩm của minh các khái niêm không gian và thơi gian được hiểu

như nhưng hê quy chiêu.

Theo Newton thi co cả không thơi gian tuyêt đôi và tương đôi được định nghia như sau:

-Thơi gian tuyêt đôi: là sư lâu dài thuân tuy, là cái trông rông để chưa cái biên cô. Thơi gian

tuyêt đôi không phải là vật chất, không chịu ảnh hương của vật chất và cung không tác động lên

vật chất. No co một chiều, vô han, đồng nhất và trôi đều đăn tư quá khư đên tương lai.

Thơi gian tương đôi: là sư lâu dài cu thể mà ta co thể cảm nhận được nhơ một quá trinh nào đo.

Vi du: chuyển động của kim đồng hồ, dao động của con lăc,…

Không gian tuyêt đôi: là cái trông rông để chưa mọi vật, no không phải là vật chất, không tác

động lên vật chất, và không chịu tác dung của vật chất. No co ba chiều, no liên tuc, vô hạn, đồng

nhất, đăng hương và không chuyển động.

Không gian tương đôi là không gian cu thể do các vật cu thể chiêm chô. Vi du: không gian của

căn phong, không gian của trái đất…

Trong khoa học và trong đơi sông hăng ngày, chung ta vẫn biêt đên và chi nghiên cưu được

không gian tương đôi mà thôi.

Trên cơ sơ nhưng quan niêm về không gian và thơi gian như trên, Newton cung định nghia

chuyển động tuyêt đôi của một vật là sư dơi vị tri của vật đo trong không gian tuyêt đôi và trong

thơi gian tuyêt đôi. Chuyển động tương đôi cung được Newton định nghia tương tư.

Quan niêm về không gian tuyêt đôi và thơi gian tuyêt đôi của Newton là một quan niêm siêu

hinh. Newton cung cho răng co thể phát hiên được chuyển động tuyêt đôi băng phương pháp vật

ly thich hợp. Tuy nhiên sau này mọi cô găng của các nhà khoa học để tim ra chuyển động tuyêt

đôi (tưc là phát hiên ra không gian tuyêt đôi) đều bị thất bại, dẫn đên cuộc khủng hoảng vật ly

học vào cuôi thê ky thư XIX.

2.Những đinh luât cơ ban của Newton.

Thời gian phát hiện: năm 1687 Nội dung phát hiện: quan hệ cơ bản giữa vật chất, lực và vận động, đó là cơ sở xây dựng nên

vật lý học và công trình học.

Ba định luật chuyển động lớn của Newton đã đặt cơ sở cho sự hình thành của vật lý học và công trình học.Giống như định lý cơ bản của Euclid đã đặt nền tảng cho sự ra đời của hình học hiện đại, ba định luật về vận động của Newton cũng đưa ra những định lý nền tảng cơ bản hình thành nên khoa học vật lý. Những cống hiến lớn lao của Newton như đưa ra ba định luật lớn về chuyển động, phát hiện ra lực hút trái đất, sáng lập ra vi tích phân đã thực sự khiến Newton trở thành nhà khoa học kiệt xuất nhất suốt thời gian 1000 năm của lịch sử.

Ba định luật chuyển động của Newton đã ra đời như thế nào?

Từ sau năm 1609, khi Johannes Kepler phát hiện ra các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo một quỹ đạo hình elip (chứ không phải hình tròn), các nhà khoa học liên tục thử dùng các phương pháp toán học để giải thích các quỹ đạo đó. Robert Hooke và John Halley đều đã từng làm theo cách đó nhưng kết quả họ thu được không như mong đợi.

Newton sinh năm 1642 tại Lincolnshire, Anh, cách trường Cambridge khoảng 60 dặm. Khi còn nhỏ, Isaac là một cậu bé không bình thường. Ba tháng trước khi chào đời, cậu đã mất cha, do cậu không thích cha dượng nên đã được đưa đến cho bà

ngoại nuôi. Newton chẳng ưa một ai cả, cậu không thích mẹ, không thích bà ngoại, thậm chí ngay cả các anh em cùng mẹ khác cha cậu cũng không thích. Khi đi học Newton luôn vi phạm kỷ luật, cậu luôn là mối đau đầu cho các thầy cô giáo.

Chỉ có một người duy nhất là William Ayscough nhận ra được tài năng và trí thông minh của Newton.Ông sắp xếp cho Newton đi học tại trường Trinity (thuộc đại học Cambridge). Do quá nghèo không đủ tiền đóng học phí nên Newton phải đi làm thuê cho các học sinh khác để kiếm tiền trang trải tiền ăn ở, ông lúc nào cũng ở một mình, mang vẻ thần bí, hay gắt gỏng và thích tranh luận với người khác.

Năm 1665, Luân Đôn bùng phát bệnh dịch hạch, trường Cambridge buộc phải cho học sinh nghỉ học và Newton phải về trang trại của người em gái để tránh dịch bệnh.Ở trang trại.Newton rất chán nản vì cuộc sống đơn điệu thiếu đi những công cụ toán học để miêu tả sức mạnh cùng sự vận động luôn thay đổi. Newton quyết định làm sáng tỏ những sức mạnh nào có thể khiến cho vật chuyển động hay đứng yên.

Ngoài việc đọc các tài liệu tương đối mới của Kepler và Halley, Newton còn chú tâm đọc các nghiên cứu của Galileo và Aristotle.Ông sưu tầm những kết quả và lý luận nghiên cứu trước đây của các nhà học giả Hy Lạp cổ, các lý luận đó rất tản mạn và thường mâu thuẫn với nhau.Newton có một biệt tài khiến người khác khâm phục đó là khả năng chọn ra những thiểu số tinh túy từ những số lượng lớn.Newton đã sàng lọc và chọn ra các trọng tâm quan trọng phổ biến trong các lý luận đó.

Newton không được coi là một nhà thí nghiệm, ông thích suy ngẫm mọi vấn đề, ông làm thí nghiệm trong tư tưởng giống như Enstein. Ông thường dành rất nhiều thời gian để suy ngẫm cho đến khi tìm được đáp án mới thôi. Nếu nói theo cách của Newton thì ông “bày các vấn đề ra trước mắt sau đó chờ đợi, cứ chờ cho đến khi xuất hiện tia sáng đầu tiên, từ từ theo đó lần ra, cuối cùng bỗng nhiên bừng sáng”.

Không lâu sau đó, Newton phải băn khoăn, trăn trở với câu hỏi: Sức mạnh nào đã dẫn đến sự chuyển động? Ông dành thời gian để nghiên cứu kĩ hơn về định luật vật rơi tự do của Galileo và quy luật sự vận động các hành tinh của Kepler. Ông tiến hành nghiên cứu quên ăn quên ngủ, đến mức gần quá sức chịu đựng của cơ thể.

Đầu năm 1666, Newton đưa ra ba định luật chuyển động, ba định luật này là điều kiện không thể thiếu cho sự ra đời của các phát hiện vi tích phân và phát hiện ra trái đất có lực hấp dẫn sau này của ông. Thế nhưng mãi 20 năm sau, khi được sự khích lệ của Halley, Newton đã viết cuốn nguyên lý toán học của triết học tự nhiên và ôngmới công bố ba định luật này.

Năm 1684, Jean Picard lần đầu tiên tính ra một cách chính xác kích thước và khối lượng của trái đất. Với những số liệu cần thiết và chính xác này, Newton đã có thể

chứng minh: trên cơ sở vận dụng ba định luật vận động và phương trình trọng lực do ông tạo ra có thể tính được một cách chính xác quỹ đạo vận động thật sự của các hành tinh. Mặc dù đã có đầy đủ các số liệu toán học để chứng minh, nhưng Newton sẽ không đưa ra Nguyên lý toán học của triết học tự nhiên nếu như không có sự thỉnh cầu và thuyết phục của Halley năm 1687.Nguyên nhân chủ yếu để đưa ra tác phẩm này là phản đối sự sai lầm trong công bố của Robert Hooke cho rằng đã phát hiện ra quy luật phổ biến của vận động.Nguyên lý toán học của triết học tự nhiên đã trở thành tác phẩm được đón nhận và sử dụng rộng rãi trong lịch sử

Đinh luât 1:

Bất ky vật nào cung giư nguyên trạng thái đưng yên hoăc chuyển động thăng đều của no, chưng

nào no con không bị các lưc băt buộc phải thay đôi trạng thái đo.

Đinh luât 2:

Sư biên thiên động lượng ty lê vơi lưc gây chuyển động và diên ra theo phương của đương thăng

theo đo lưc tác dung.

Đinh luât 3:

Tác dung bao giơ cung băng và ngược chiều vơi phản tác dung, noi cách khác tương tác giưa hai

vật lên nhau thi băng nhau và hương theo chiều ngược nhau.

Trên đây chinh là cách phát biểu ban đâu của Newton. Tư ba định luật này, Newton đa tim lại

được các định luật Kepler. Trải qua mấy thê ky, 3 định luật Newton đa đưa vào sách giáo khoa

trên khăp thê giơi co dạng giông như hoăc gân giông như cách phát biểu ban đâu của Newton.

3. Đinh luât vạn vât hâp dẫn

Thời gian phát hiện: năm 1666

Nội dung phát hiện: Lực vạn vật hấp dẫn là lực hấp dẫn giữa tất cả các vật.

Thời kỳ đầu thế kỷ XVII, con người đã phân biệt được rất nhiều loại lực như: lực ma sát, trọng lực, trở lực của không khí, điện lực và nhân lực. Newton đã quy nạp một cách chính xác các loại lực tưởng chừng như khác nhau này thành khái niệm vạn vật hấp dẫn: Quả táo rơi xuống đất, người có thể trọng, mặt trăng chuyển động quay quanh trái đất… Tất cả các hiện tượng này đều do nguyên nhân tương tự nhau gây ra. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton rất đơn giản, dễ hiểu nhưng có phạm vi rộng và sâu sắc.

Khái niệm vạn vật hấp dẫn của Newton là một trong những khái niệm mang tính thực dụng nhất trong lĩnh vực khoa học.Newton cho rằng vạn vật hấp dẫn là đặc trưng của tất cả vật chất, và điều đó đã trở thành nền tảng lý luận của phần lớn khoa học vật lý

Đinh luât vạn vât hâp dẫn đã ra đơi như thế nao?

Năm 1666, ơ vào tuôi 23, Newton là sinh viên năm thư ba Học viên Trinity thuộc

trương Đại học Cambride.Newton dáng ngươi nhỏ, trâm ngâm it noi, tinh cách khá

nghiêm tuc.Đôi măt săc cung vẻ măt giận dư của Newton luôn khiên mọi ngươi e dè.

Ngày đo, ơ Luân Đôn bung phát bênh dịch hạch, căn bênh quái ác này đa cươp đi

mạng sông của rất nhiều ngươi. Các trương học bị buộc phải đong của, nhưng sinh

viên ham học như Isaac Newton đành phải trơ về quê an toàn của minh chơ ngày bóng

ma của căn bênh đo qua đi.

Nhưng ngày sông ơ quê, Newton luôn luôn băn khoăn vơi câu hỏi: Năng lượng nào đa

khiên cho măt trăng luôn chuyển động quanh trái đất và trái đất luôn chuyển động

quanh măt trơi? Tại sao măt trăng lại không rơi xuông trái đất?Tại sao trái đất lại

không rơi xuông măt trơi?

Một vài năm sau, Newton tưng bươc ly giải hiên tượng đo.Khi ngồi trong vươn nhà

chị gái, Newton nhin thấy một quả táo rơi tư trên cây xuông. Ông vội ngươc đâu lên

quan sát một quả táo khác. Quả táo thư hai rơi xuông tư một cành cây khác, no rơi

xuông đất xong con nẩy lên khỏi măt đất rồi mơi năm im trên đo. Đây ro ràng không

phải là lân đâu tiên Newton nhin thấy táo rơi, tất nhiên điều đo không mang lại câu trả

lơi cho Newton nhưng no đa gợi y cho nhà khoa học trẻ tuôi một suy nghi: Sao quả táo

thi rơi xuông đất được con măt trăng thi không? Giưa quả táo và măt trăng co điểm gi

khác nhau đây?

Sáng sơm ngày hôm sau, Newton quan sát thấy đưa cháu trai của minh đang chơi vơi

một quả bong nhỏ. Trên tay cậu bé buộc một sợi dây cao su, một đâu kia của sơi dây

buộc chăt vào quả bong. Ban đâu cậu bé lăc nhẹ tay, sau đo càng luc càng mạnh, cuôi

cung quả bong bật mạnh theo phương thăng.

Newton đột nhiên cảm thấy sư vận động của quả bong và măt trăng thật giông nhau.

Có hai loại lưc đa tác dung vào quả bong, thư nhất là lưc đẩy ra hương ngoài và thư

hai là lưc kéo của dây chun. Và tương tư cung co hai loại lưc tác dung lên măt trăng,

đo là lưc đẩy của vận động măt trăng và lưc kéo của trọng lưc trái đất, và cung chinh

do co trọng lưc nên quả táo mơi rơi xuông đất.

Newton lân đâu tiên khám phá ra trọng lưc không gian chi là lưc tác dung giưa các

hành tinh và hành tinh, no co thể là lưc hấp dẫn và tồn tại phô biên.Newton tin tương

chăc chăn vào thuật luyên kim, cho răng các vật chất luôn hut nhau, ông quả quyêt

răng lưc hấp dẫn giưa các vật không chi đung vơi các hành tinh to lơn mà đung vơi tất

cả nhưng vật thể nào co khôi lượng. Hiên tượng trái táo rơi xuông đất, mưa rơi và các

hành tinh chuyển động theo một quỹ đạo quanh măt trơi đều là kêt quả tác động của

trọng lưc.

Ngươi ta thương cho răng, các định luật tư nhiên áp dung cho trái đất thi co sư khác

biêt rất lơn vơi các định luật trong bâu trơi.Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đa

phản bác lại quan điểm đo, định luật chưng minh răng nhưng quy luật chi phôi tư

nhiên và vu tru là không hề phưc tạp.

Newton đa phát triển khái niêm lưc vạn vật hấp dẫn, ông chi ra răng lưc vạn vật hấp

dẫn không chi là đăc trưng của các thiên thể mà con là đăc trưng của tất cả mọi

vật.Định luật vạn vật hấp dẫn cung công thưc toán học của no đa trơ thành nền tảng cơ

sơ của ngành vật ly học, là một trong nhưng định luật khoa học quan trọng nhất của

nhân loại.