Trả lời nhanh
Lực ngựa kéo xe và lực xe kéo ngựa là cặp lực – phản lực theo định luật 3 Newton: cùng độ lớn, ngược chiều nhưng đặt vào hai vật khác nhau nên không triệt tiêu nhau. Xe chuyển động về phía trước vì hợp lực tác dụng lên xe (lực kéo trừ lực cản) khác không. Ngựa tiến lên nhờ lực ma sát nghỉ của mặt đất lên chân ngựa.
Đề bài và cách hiểu đúng
Câu hỏi trong bài về ba định luật Newton (Vật lí 10) thường được phát biểu như sau: ngựa tác dụng một lực kéo lên xe, theo định luật 3 Newton xe cũng tác dụng lên ngựa một lực cùng độ lớn, ngược chiều. Vậy tại sao xe vẫn có thể chuyển động về phía trước? Phần dưới đây trả lời theo ý này, không phụ thuộc cách đánh số hình.
Nhiều bạn nghĩ “hai lực bằng nhau và ngược chiều thì triệt tiêu, xe phải đứng yên”. Đây là lỗi sai kinh điển. Hai lực chỉ triệt tiêu khi cùng tác dụng lên một vật.
Phân tích lực theo từng vật
Muốn biết vật chuyển động thế nào, ta chỉ xét các lực tác dụng lên chính vật đó.
| Vật xét | Lực theo phương ngang | Chiều |
|---|---|---|
| Xe | Lực kéo của ngựa (qua dây kéo) | Về phía trước |
| Xe | Lực cản (ma sát lăn, cản không khí) | Về phía sau |
| Ngựa | Lực xe kéo ngựa (phản lực) | Về phía sau |
| Ngựa | Lực ma sát nghỉ của đất lên chân ngựa | Về phía trước |
- Với xe: Fkéo − Fcản = mxe·a. Nếu Fkéo > Fcản thì a > 0, xe tăng tốc.
- Với ngựa: Fmsn − Fxe→ngựa = mngựa·a. Ngựa muốn đi tới phải được đất đẩy về phía trước mạnh hơn lực xe kéo lùi.
Cặp lực – phản lực ở đây là Fngựa→xe và Fxe→ngựa, có độ lớn bằng nhau. Chúng nằm ở hai dòng khác nhau của bảng (hai vật khác nhau) nên không bao giờ được cộng với nhau.
Ví dụ số (tự đặt)
Giả sử xe có khối lượng 200 kg, ngựa 400 kg; lực ngựa kéo xe là 500 N, lực cản lên xe là 300 N.
- Gia tốc của xe: a = (500 − 300)/200 = 1 m/s².
- Ngựa và xe cùng chuyển động nên ngựa cũng có a = 1 m/s².
- Lực xe kéo ngựa lùi có độ lớn 500 N (định luật 3). Với ngựa: Fmsn − 500 = 400·1 ⇒ Fmsn = 900 N.
- Kiểm tra cho cả hệ: 900 − 300 = 600 N = (200 + 400)·1. Khớp.
Nhận xét: ngoại lực làm cả hệ “ngựa + xe” tăng tốc là ma sát nghỉ của đất chứ không phải lực kéo giữa ngựa và xe, vì lực này là nội lực của hệ và tự triệt tiêu khi xét cả hệ.
Mẹo nhớ và lỗi hay gặp
- Mẹo: khi gặp “lực – phản lực”, hãy hỏi “hai lực này đặt vào mấy vật?”. Hai vật ⇒ không cân bằng.
- Lực cân bằng (định luật 1) phải cùng tác dụng lên một vật; cặp lực – phản lực (định luật 3) luôn tác dụng lên hai vật.
- Đừng quên lực ma sát: trên băng trơn, ngựa không thể kéo xe vì mất ma sát nghỉ.
- Nếu ngựa kéo xe với Fkéo = Fcản thì xe chuyển động thẳng đều chứ không đứng yên.
Bài luyện tập
Bài 1. Xe 150 kg được ngựa kéo bằng lực 450 N, lực cản lên xe là 150 N. Tính gia tốc của xe.
Đáp án: a = (450 − 150)/150 = 2 m/s².
Bài 2. Với số liệu bài 1, ngựa nặng 350 kg chuyển động cùng gia tốc. Tính lực ma sát nghỉ của đất lên ngựa.
Đáp án: Fmsn − 450 = 350·2 ⇒ Fmsn = 1150 N. Kiểm tra: 1150 − 150 = 1000 = (150 + 350)·2.
Bài 3. Vì sao khi bạn đẩy mạnh vào bức tường, bạn không làm tường dịch chuyển nhưng bản thân có thể bị trượt lùi trên sàn nhẵn?
Đáp án: Tường đẩy lại bạn một lực bằng lực bạn đẩy tường (định luật 3). Lực này đặt lên bạn; trên sàn nhẵn, ma sát nghỉ nhỏ không đủ cân bằng nên bạn bị trượt lùi.
Câu hỏi thường gặp
Lực ngựa kéo xe và lực xe kéo ngựa có triệt tiêu nhau không?
Không. Hai lực này cùng độ lớn, ngược chiều nhưng đặt vào hai vật khác nhau (xe và ngựa), nên không thể cộng lại để triệt tiêu.
Vì sao xe chuyển động về phía trước?
Vì hợp lực tác dụng lên xe, gồm lực kéo của ngựa và lực cản, khác không khi lực kéo lớn hơn lực cản; xe có gia tốc cùng chiều lực kéo.
Lực nào giúp con ngựa tiến lên phía trước?
Lực ma sát nghỉ của mặt đất tác dụng lên chân ngựa, hướng về phía trước. Lực này phải lớn hơn lực xe kéo ngựa lùi lại.
Bài này thuộc phần nào của Vật lí 10?
Thuộc bài ba định luật Newton (chương Động lực học), áp dụng chủ yếu định luật 3 Newton về lực và phản lực.