Đó chính là thiên tài Isaac Newton đã tìm ra một khung khái niệm giải thích hoàn toàn các quan sát và quy tắc được tập hợp bởi Galileo, Brahe, Kepler và những người khác. Newton sinh ra ở Lincolnshire, Anh, vào năm sau cái chết của Galileo (Hình 3.6). Chống lại lời khuyên của mẹ, người muốn anh ở nhà và giúp đỡ công việc nông trại của gia đình, anh chọn theo vào Đại học Trinity tại Cambridge năm 1661 và tám năm sau được bổ nhiệm làm giáo sư toán học. Trong số những người cùng thời với Newton ở Anh có kiến trúc sư Christopher Wren, các tác giả Aphra Behn và Daniel Defoe, và nhà soạn nhạc G. F. Handel.

Hình 3.6 Isaac Newton (1643–1727), Chân dung năm 1689 của Sir Godfrey Kneller. Công trình nghiên cứu của Isaac Newton về các định luật chuyển động, trọng lực, quang học và toán học đã đặt nền móng cho phần lớn khoa học vật lý.

Định luật chuyển động của Newton

Khi còn là một thanh niên học đại học, Newton bắt đầu quan tâm đến triết học tự nhiên, là tên gọi của khoa học lúc bấy giờ. Ông đã đưa ra một số ý tưởng đầu tiên của mình về máy móc và quang học trong những năm bệnh dịch 1665 và 1666, khi các sinh viên được gửi về nhà từ trường đại học. Newton, một người đàn ông thất thường và thường xuyên khó tính, tiếp tục nghiên cứu các ý tưởng của mình một cách riêng tư, thậm chí còn phát minh ra các công cụ toán học mới để giúp ông giải quyết những vấn đề phức tạp liên quan. Cuối cùng, người bạn của anh ấy là Edmund Halley (sẽ được nhắc đến trong chương Sao chổi và Tiểu hành tinh: Mảnh vỡ của Hệ Mặt Trời) đã xuất hiện để thu thập và công bố kết quả của các cuộc điều tra đáng chú ý của ông về chuyển động và lực hấp dẫn. Kết quả là một bộ sách đặt ra hệ thống cơ bản của thế giới vật chất, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên). Principia (Các nguyên lý), tên gọi thường được biết đến của cuốn sách, đã được xuất bản với chi phí của Halley vào năm 1687.

Ở phần đầu của Principia, Newton đã đề xuất ba định luật sẽ chi phối chuyển động của tất cả các vật thể:

  • Định luật đầu tiên của Newton: Mọi vật thể sẽ tiếp tục ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động với tốc độ không đổi trên một đường thẳng trừ khi nó bị buộc phải thay đổi bởi một lực bên ngoài.
  • Định luật thứ hai của Newton: Sự thay đổi chuyển động của một vật tỷ lệ thuận với và theo hướng của lực tác dụng lên vật đó.
  • Định luật thứ ba của Newton: Đối với mọi lực đều có một phản lực ngang bằng và ngược chiều (hoặc: các lực tương hỗ của hai vật đối với nhau luôn bằng nhau và tác động ngược chiều nhau).

Trong nguyên bản tiếng Latinh, ba định luật chỉ chứa 59 từ, nhưng số từ đó đã tạo tiền đề cho khoa học hiện đại. Hãy để chúng tôi kiểm tra chúng cẩn thận hơn.

Giải thích các định luật Newton

Định luật đầu tiên của Newton là sự phát biểu lại một trong những khám phá của Galileo, được gọi là sự bảo toàn động lượng. Định luật quy định rằng trong trường hợp không có bất kỳ ảnh hưởng nào từ bên ngoài, thì có một thước đo chuyển động của một vật thể, được gọi là động lượng của nó, không thay đổi. Bạn có thể đã nghe thuật ngữ động lượng được sử dụng trong các cách diễn đạt hàng ngày, chẳng hạn như “Dự luật này tại Quốc hội có rất nhiều động lượng; sẽ rất khó để dừng lại."

Định luật đầu tiên của Newton đôi khi được gọi là định luật quán tính, trong đó quán tính là xu hướng của các đối tượng (và các cơ quan lập pháp) tiếp tục làm những gì họ đang làm. Nói cách khác, một vật thể đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, và một vật thể chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động trừ khi có lực nào đó can thiệp.

Hãy xác định ý nghĩa chính xác của động lượng — nó phụ thuộc vào ba yếu tố: (1) tốc độ — tốc độ của một vật chuyển động (bằng không nếu nó đứng yên), (2) hướng chuyển động của nó và (3) khối lượng của nó — một số đo lượng vật chất trong một cơ thể, mà chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau. Các nhà khoa học sử dụng thuật ngữ vận tốc để mô tả tốc độ và hướng của chuyển động. Ví dụ, 20 km/giờ theo hướng nam là vận tốc, trong khi 20 km/giờ chỉ tính riêng nó là tốc độ. Sau đó, động lượng có thể được định nghĩa là khối lượng của một vật nhân với vận tốc của nó.

Không dễ dàng để thấy quy tắc này hoạt động trong thế giới hàng ngày vì có nhiều lực tác động lên vật thể cùng một lúc. Một lực quan trọng là lực ma sát, lực này thường làm chậm mọi thứ. Nếu bạn lăn một quả bóng dọc theo vỉa hè, quả bóng cuối cùng sẽ dừng lại vì vỉa hè tác dụng lực cọ xát lên quả bóng. Nhưng trong không gian giữa các ngôi sao, nơi có rất ít vật chất đến mức ma sát là không đáng kể, các vật thể trên thực tế có thể tiếp tục chuyển động (trôi) vô thời hạn.

Động lượng của một vật chỉ có thể thay đổi dưới tác dụng của một tác động bên ngoài. Định luật thứ hai của Newton biểu thị lực dưới dạng khả năng thay đổi động lượng của nó theo thời gian. Một lực (một lực đẩy hoặc một lực kéo) có cả độ lớn và hướng. Khi một lực tác dụng vào một vật, động lượng thay đổi theo hướng của lực tác dụng. Điều này có nghĩa một lực là cần thiết để thay đổi tốc độ hoặc hướng của một vật thể, hoặc cả hai vật thể - tức là bắt đầu chuyển động, tăng tốc độ, giảm tốc độ, dừng lại hoặc thay đổi hướng của nó.

Như bạn đã đọc trong chương Quan sát bầu trời: Sự ra đời của Thiên văn học, tỷ lệ thay đổi vận tốc của một vật thể được gọi là gia tốc. Newton đã chỉ ra rằng gia tốc của một vật tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên nó. Giả sử sau một khoảng thời gian đọc sách, bạn đẩy một cuốn sách thiên văn ra xa mình trên một chiếc bàn dài và nhẵn. (Chúng ta sử dụng bàn nhẵn để có thể bỏ qua ma sát.) Nếu bạn đẩy cuốn sách một cách đều đặn, nó sẽ tiếp tục tăng tốc miễn là bạn đang đẩy nó. Bạn đẩy cuốn sách càng mạnh thì gia tốc của nó càng lớn. Một lực sẽ gia tốc một vật bằng bao nhiêu cũng được xác định bởi khối lượng của vật đó. Nếu bạn tiếp tục đẩy một cây bút với cùng một lực mà bạn đẩy sách giáo khoa, thì cây bút — có khối lượng nhỏ hơn — sẽ được tăng tốc đến một tốc độ lớn hơn.

Định luật thứ ba của Newton có lẽ là định luật sâu sắc nhất trong số các quy tắc mà ông đã khám phá ra. Về cơ bản, nó là sự tổng quát của định luật thứ nhất, nhưng nó cũng cho chúng ta một cách để định nghĩa khối lượng. Nếu chúng ta xem xét một hệ thống gồm hai hoặc nhiều vật thể bị cô lập khỏi các tác động bên ngoài, thì định luật đầu tiên của Newton nói rằng tổng động lượng của các vật thể phải không đổi. Do đó, bất kỳ sự thay đổi nào của động lượng trong hệ phải được cân bằng bởi một thay đổi khác ngang bằng và ngược chiều sao cho động lượng của toàn hệ thống không bị thay đổi.

Điều này có nghĩa là các lực trong tự nhiên không xảy ra đơn lẻ: chúng ta thấy rằng trong mỗi tình huống luôn tồn tại một cặp lực cân bằng và ngược chiều nhau. Nếu một lực tác dụng lên một vật thì nó phải được tác dụng bởi vật khác, và vật đó sẽ tác dụng ngược trở lại một lực ngang bằng và ngược chiều lên vật đó. Chúng ta có thể xem một ví dụ đơn giản để chứng minh điều này.

Giả sử rằng một sinh viên thiên văn học liều lĩnh — và một vận động viên trượt ván đam mê — muốn nhảy từ cửa sổ ký túc xá tầng hai của mình lên tấm ván bên dưới (chúng tôi khuyên bạn không nên thử điều này!). Lực kéo anh ta xuống sau khi nhảy (như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo) là lực hấp dẫn giữa anh ta và Trái Đất. Cả anh ta và Trái Đất đều phải trải qua tổng động lượng thay đổi như nhau vì ảnh hưởng của các lực tương hỗ này. Vì vậy, cả sinh viên và Trái Đất đều được tăng tốc bởi lực kéo của nhau. Tuy nhiên, học sinh lại di chuyển nhiều hơn. Bởi vì Trái Đất có khối lượng lớn hơn rất nhiều, nó có thể trải qua cùng một sự thay đổi động lượng bằng cách chỉ tăng tốc một lượng rất nhỏ. Mọi thứ đều rơi về phía Trái đất, nhưng kết quả là gia tốc của hành tinh chúng ta là quá nhỏ để có thể đo được.

Một ví dụ rõ ràng hơn về tính chất tương hỗ của các lực giữa các vật thể đã quen thuộc với tất cả những ai từng chơi bóng chày. Độ giật mà bạn cảm thấy khi vung gậy cho thấy quả bóng tác dụng lực lên nó trong khi va chạm, giống như tác động của gậy lên quả bóng. Tương tự, khi một khẩu súng trường bạn đang đeo trên vai được xả ra, lực đẩy viên đạn ra khỏi họng súng bằng lực đẩy lùi vào súng và vai bạn.

Đây là nguyên lý đằng sau động cơ phản lực và tên lửa: lực xả khí thải từ phía sau tên lửa đi kèm với lực đẩy tên lửa về phía trước. Khí thải không cần phải đẩy vào không khí hoặc Trái Đất; một tên lửa thực sự hoạt động tốt nhất trong môi trường chân không (Hình 3.7).

Hình 3.7 Minh chứng cho định luật thứ ba của Newton. Tàu con thoi của Hoa Kỳ (ở đây là phóng tàu Discovery), chạy bằng ba động cơ nhiên liệu đốt cháy oxy lỏng và hydro lỏng, với hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn, chứng minh định luật thứ ba của Newton. (Ảnh: sửa đổi công việc của NASA)

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Để biết thêm về cuộc sống và công việc của Isaac Newton, hãy xem trang dòng thời gian này với những bức ảnh chụp nhanh về sự nghiệp của ông, được sản xuất bởi British Broadcasting Corporation (BBC).
(https://www.bbc.co.uk/teach/isaac-newton-the-man-who-discovered-gravity/zh8792p)

Khối lượng, Thể tích và Mật độ

Trước khi thảo luận về công việc khác của Newton, chúng tôi muốn xem qua một số thuật ngữ quan trọng để phân loại rõ ràng. Chúng ta bắt đầu với khối lượng, là thước đo lượng vật chất bên trong một vật thể.

Thể tích của một vật thể là thước đo của không gian vật lý mà nó chiếm giữ. Thể tích được đo bằng đơn vị khối (lập phương), chẳng hạn như cm khối hoặc lít. Khối lượng là “kích thước” của một đối tượng. Một đồng xu và một quả bóng bay được thổi phồng có thể có cùng khối lượng, nhưng chúng có thể tích rất khác nhau. Lý do là chúng cũng có mật độ rất khác nhau, là thước đo khối lượng có bao nhiêu trên một đơn vị thể tích. Cụ thể, mật độ là khối lượng chia cho thể tích. Lưu ý rằng trong ngôn ngữ hàng ngày, chúng ta thường sử dụng “nặng” và “nhẹ” để chỉ tỷ trọng (thay vì trọng lượng), chẳng hạn như khi chúng ta nói rằng sắt thì nặng hoặc kem đánh thì nhẹ.

Đơn vị của mật độ sẽ được sử dụng trong cuốn sách này là gam trên centimet khối (g/cm3). Nếu một khối vật liệu nào đó có khối lượng 300 gam và thể tích 100 cm3 thì khối lượng riêng của nó là 3 g/cm3. Các vật liệu quen thuộc có mật độ dao động đáng kể, từ vật liệu nhân tạo như xốp cách nhiệt bằng nhựa (nhỏ hơn 0,1 g/cm3) đến vàng (19,3 g/cm3). Bảng 3.1 đưa ra mật độ của một số vật liệu quen thuộc. Trong vũ trụ của thiên văn học, có thể tìm thấy mật độ đặc biệt hơn nhiều, từ đuôi sao chổi (10–16 g/cm3) cho đến “xác sao” đã co sập được gọi là sao neutron (1015 g/cm3).

Bảng 3.1 Mật độ vật liệu phổ biến

Vật liệu

Mật độ (g/cm3)

Vàng

19,3

Chì

11,3

Sắt

7,9

Trái Đất (lượng lớn)

5,5

Đá (điển hình)

2,5

Nước

1

Gỗ (điển hình)

0,8

Xốp cách nhiệt

0,1

Gel silica

0,02

Tóm lại, khối lượng là nhiều như thế nào, thể tích là lớn như thế nào và mật độ là được gói chặt như thế nào.

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Bạn có thể chơi với một hình ảnh động đơn giản thể hiện mối quan hệ giữa các khái niệm về mật độ, khối lượng và thể tích, đồng thời tìm hiểu lý do tại sao các vật thể như gỗ lại nổi trong nước.
(https://phet.colorado.edu/sims/html/density/latest/density_en.html)

Mô men động lượng

Một khái niệm phức tạp hơn một chút, nhưng quan trọng để hiểu nhiều đối tượng thiên văn, là mô men động lượng. Đó là thước đo chuyển động quay của một vật khi nó quay quanh một điểm cố định nào đó (ví dụ là một hành tinh quay quanh Mặt Trời). Mômen động lượng của một vật được định nghĩa là tích của khối lượng, vận tốc và khoảng cách của nó từ điểm cố định mà nó quay xung quanh.

Nếu ba đại lượng này không đổi - nghĩa là, nếu chuyển động của một vật cụ thể diễn ra với vận tốc không đổi ở một khoảng cách cố định từ tâm quay - thì mômen động lượng cũng là một hằng số. Định luật thứ hai của Kepler là hệ quả của sự bảo toàn mômen động lượng. Khi một hành tinh tiếp cận Mặt Trời trên quỹ đạo hình elip của nó và khoảng cách đến tâm quay giảm, hành tinh đó tăng tốc để bảo toàn mômen động lượng. Tương tự, khi hành tinh ở xa Mặt Trời hơn, nó chuyển động chậm hơn.

Sự bảo toàn mômen động lượng được minh họa bởi những vận động viên trượt băng nghệ thuật, những người khép tay và chân của họ vào để quay nhanh hơn, và mở rộng cánh tay và chân của họ để quay chậm lại (Hình 3.8). Bạn có thể tự sao chép điều này trên một chiếc ghế xoay được bôi dầu tốt bằng cách bắt đầu quay từ từ với cánh tay mở rộng và sau đó kéo cánh tay vào. Một ví dụ khác về sự bảo toàn mômen động lượng là một đám mây bụi đang co lại hoặc một ngôi sao tự sụp đổ (cả hai là những tình huống mà bạn sẽ tìm hiểu khi đọc tiếp). Khi vật chất di chuyển đến một khoảng cách nhỏ hơn từ tâm quay, tốc độ của vật chất tăng lên để bảo toàn mômen động lượng.

Hình 3.8 Sự bảo toàn Mô men động lượng. Khi một vận động viên trượt băng nghệ thuật xoay tròn khép tay cô ấy lại, khoảng cách của tay từ tâm quay của cô ấy nhỏ hơn, do đó tốc độ của cô ấy tăng lên. Khi cánh tay của cô ấy dang ra, khoảng cách của tay với tâm quay lớn hơn, vì vậy cô ấy sẽ giảm tốc độ.

(còn nữa...)

Tham khảo

  1. Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy

Bài viết xem nhiều