Lực là gì và có những loại lực nào trong vật lý học?

1. Định nghĩa về lực là gì?

1.1 Lực được hiểu như thế nào?

Trong vật lý, lực được hiểu là bất kỳ tác động nào làm thay đổi trạng thái của một vật, có thể là thay đổi chuyển động, hướng đi hoặc cấu trúc hình học của nó. Nói cách khác, lực là yếu tố khiến một vật có khối lượng thay đổi vận tốc, từ trạng thái đứng yên đến chuyển động với gia tốc, hoặc làm biến dạng vật thể, hoặc cả hai. Lực cũng có thể được mô tả qua các khái niệm đơn giản như sự đẩy hoặc kéo. Lực là đại lượng vectơ, có độ lớn và hướng cụ thể.

Nói một cách đơn giản, lực là đại lượng vectơ mô tả sự tác động của một vật lên vật khác, gây ra gia tốc hoặc biến dạng cho vật đó. Phương của lực không cố định mà thay đổi tùy thuộc vào loại lực, mỗi lực có phương và chiều riêng biệt.

Theo hệ thống đo lường quốc tế, lực có các đặc điểm sau:

• Đơn vị đo là newton
• Ký hiệu là F

1.2 Cách xác định lực

Mỗi lực tác dụng được xác định bởi phương, chiều và độ lớn (hay còn gọi là cường độ). Phương có thể là ngang, dọc hoặc xiên; chiều có thể từ dưới lên trên, từ trên xuống dưới, từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái. Đây là những khái niệm mà bạn đã học trong Toán học.

1.3 Cách xác định phương và chiều của lực

Để xác định phương và chiều của lực, chúng ta cần dựa vào tác động của lực lên vật. Khi lực tác dụng vào vật, sự biến dạng của vật theo phương và chiều nào chính là phương và chiều của lực đó. Đồng thời, nếu lực thay đổi chuyển động của vật (nhanh dần, chậm dần, hay thay đổi hướng), chúng ta cũng cần căn cứ vào điều này để xác định phương và chiều của lực.

1.4 Hai lực cân bằng là gì?

Hai lực cân bằng là hai lực cùng tác động lên một vật với độ lớn bằng nhau. Chúng có cùng phương, có thể là ngang hoặc dọc, nhưng chiều thì ngược nhau. Khi hai lực này tác dụng lên một vật, vật sẽ đứng yên. Có nhiều ví dụ thực tế minh chứng cho sự tồn tại của hai lực cân bằng.

Một ví dụ dễ hiểu là trò kéo co. Khi hai đội kéo co cùng kéo một sợi dây, nếu điểm giữa của dây không di chuyển và vẫn giữ nguyên tại vị trí, thì lực kéo của hai đội là cân bằng. Đây là minh chứng rõ ràng cho hai lực cân bằng.

Trong cuộc sống hàng ngày, tất cả các vật đều bị tác động bởi một lực hút từ Trái Đất, gọi là trọng lực. Do đó, ngay cả khi một vật đứng yên, chẳng hạn như một quyển sách trên bàn, quyển sách đó vẫn chịu hai lực cân bằng: trọng lực và lực nâng từ mặt bàn. Con người cũng chịu ảnh hưởng của lực hút này.

Để xác định hai lực là cân bằng, chúng ta cần xem xét bốn yếu tố sau:

• Hai lực phải tác động lên cùng một vật;
• Phương của hai lực phải nằm trên cùng một đường thẳng, tức là có cùng phương;
• Chiều của hai lực phải ngược nhau;
• Độ lớn của hai lực phải bằng nhau.

2. Những đặc điểm của lực

Việc hiểu lực chỉ qua định nghĩa có thể gặp khó khăn. Vì vậy, để nắm rõ hơn, chúng ta hãy xem xét một số đặc điểm chính của đại lượng này:

• Lực được biểu diễn dưới dạng vectơ với phương và chiều có thể thay đổi;
• Để đo độ lớn của lực, chúng ta sử dụng thiết bị đặc biệt gọi là lực kế;
• Đơn vị đo lực là Newton, ký hiệu là N;
• Gốc của vectơ lực nằm tại điểm mà lực được tác dụng;
• Độ dài của vectơ lực phản ánh cường độ của lực theo tỷ lệ;
• Ký hiệu F thường được dùng để biểu thị lực trong các công thức và sơ đồ.

3. Các loại lực trong vật lý

Lực cơ học là một vectơ có phương, chiều, điểm đặt và độ lớn cụ thể. Dựa vào nguồn gốc và đặc điểm của lực, chúng ta phân chia thành các loại như: lực hấp dẫn, lực hướng tâm, lực ma sát và lực đàn hồi. Mỗi loại lực có các đặc điểm và hướng tác động khác nhau.

3.1 Lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn là lực hút giữa các vật thể. Độ lớn của lực này tỷ lệ với khối lượng của các vật, giúp kết nối các vật chất lại với nhau. Lực hấp dẫn là yếu tố chính trong việc hình thành các hành tinh và duy trì trật tự trong dải ngân hà.

Trên Trái Đất, lực hấp dẫn giữ vai trò rất quan trọng, nó tác động lên các vật thể có khối lượng và khiến chúng rơi xuống mặt đất. Tuy nhiên, trên Mặt Trăng, lực hấp dẫn yếu hơn nhiều, đó là lý do tại sao cơ thể chúng ta cảm giác như đang lơ lửng trong không gian.

Trong thực tế, lực hấp dẫn tác động từ tâm của vật thể, cùng phương với chuyển động và ngược chiều với lực chuyển động. Vậy làm thế nào để tính toán độ lớn của lực hấp dẫn?

Fhd = G x (m1 x m2) / R2

• Fhd: Lực hấp dẫn (N)
• R: Khoảng cách giữa hai vật (m)
• m1, m2: Khối lượng của hai vật (kg)
• G: Hằng số hấp dẫn

3.2 Lực đàn hồi

Lực đàn hồi là lực xuất hiện khi vật đàn hồi bị thay đổi hình dạng, như khi một lò xo bị nén hoặc kéo giãn. Lực này có xu hướng chống lại sự biến dạng và đưa vật trở lại trạng thái ban đầu, vì vậy nó thường có cùng phương và ngược chiều với lực tác động.

Để tính toán độ lớn của lực đàn hồi, chúng ta sử dụng công thức sau:

Lực đàn hồi bằng hệ số đàn hồi (hoặc độ cứng của lò xo) nhân với giá trị tuyệt đối của độ biến dạng của lò xo.

3.3 Lực ma sát

Lực ma sát được sinh ra từ sự tiếp xúc giữa hai bề mặt vật chất và có tác dụng cản trở sự thay đổi vị trí của vật. Lực ma sát được phân loại theo các đặc điểm và tính chất, bao gồm: ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát nghỉ.

Lực ma sát thường xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thể. Về cơ bản, lực này có phương song song với bề mặt và chiều ngược lại với hướng chuyển động. Để tính toán độ lớn của lực ma sát, ta sử dụng công thức sau:

Fms = µt x N

Trong đó:

• Fms: Lực ma sát (N);
• µt: Hệ số ma sát;
• N: Áp lực giữa hai vật (N);

3.4 Lực hướng tâm

Lực hướng tâm là lực tác động lên một vật đang chuyển động theo quỹ đạo tròn, tạo ra gia tốc hướng vào tâm quỹ đạo. Lực này thường có điểm đặt tại vật, phương trùng với đường nối giữa vật và tâm quỹ đạo, và chiều hướng vào tâm.

Công thức tính lực hướng tâm là:

Fht = m x aht = m x v2 / r

Trong đó:

• Fht: Lực hướng tâm (N);
• r: Bán kính quỹ đạo (m);
• m: Khối lượng của vật (kg);
• v: Vận tốc của chuyển động (m/s);

4. Áp dụng lực vào thực tiễn cuộc sống

Trong thực tế, chúng ta thường xuyên gặp các loại lực như sau:

• Trọng lực;
• Lực đàn hồi;
• Lực ma sát;
• Lực đẩy của Ác-si-mét.

Với kiến thức từ bài viết, chúng ta có thể lý giải một số hiện tượng thực tiễn như:

• Tuyết và mưa (ứng dụng của trọng lực)
• Dây chun, cung tên, cầu bậc của vận động viên nhảy cầu, lò xo trong bút bi (ứng dụng của lực đàn hồi)
• Tàu ngầm dưới nước (ứng dụng của lực đẩy Ác-si-mét).

>> Khám phá về: Lực đàn hồi là gì? Lực đàn hồi trong lò xo? Định luật Húc?