Định luật 3 Newton: khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực cùng độ lớn, cùng giá, ngược chiều. Hai lực này gọi là lực và phản lực, chúng luôn xuất hiện cùng lúc, mất đi cùng lúc, cùng bản chất và quan trọng nhất là đặt lên hai vật khác nhau.
Chữ “hai vật khác nhau” là chìa để gỡ gần hết các thắc mắc về định luật này, từ nghịch lý ngựa kéo xe đến câu hỏi vì sao bạn đi bộ được. Bài viết đi qua ý nghĩa của định luật, những cặp lực học sinh hay nhận nhầm, vài hiện tượng đời thường, và cách dùng chatbot để luyện kỹ năng chỉ ra “lực này do ai tác dụng lên ai”.
Lực luôn là tương tác giữa hai vật
Định luật 3 nói một điều nghe hiển nhiên mà sâu: không có lực đơn độc. Bạn không thể đẩy vào không khí trống rồi nhận được lực. Mỗi lực đều là một nửa của một tương tác, nửa kia đặt lên vật đã gây ra lực đó. Tay bạn ấn vào tường, tường ấn ngược lại vào tay, và chính lực tường ấn vào tay là thứ bạn cảm thấy ở lòng bàn tay.
Hai lực trong một cặp có cùng bản chất. Nếu lực bạn tác dụng lên sàn là lực đàn hồi do tiếp xúc, thì lực sàn tác dụng lại bạn cũng là lực đàn hồi. Nếu Trái Đất hút quả táo bằng lực hấp dẫn, thì quả táo cũng hút Trái Đất bằng lực hấp dẫn đúng bằng độ lớn ấy. Quả táo rơi về phía Trái Đất rõ rệt còn Trái Đất gần như không nhúc nhích, chỉ vì khối lượng Trái Đất lớn khủng khiếp nên gia tốc của nó nhỏ tới mức không đo được, đúng như định luật 2 dự đoán.
Cũng vì thế mà gọi “lực” và “phản lực” chỉ là cách đặt tên cho tiện, không có lực nào đến trước. Hai lực xuất hiện đồng thời, không có độ trễ. Hiểu như vậy sẽ tránh được cách nói sai rằng “vật B phản ứng lại sau khi bị A đẩy”.
Nghịch lý ngựa kéo xe: vì sao lực bằng nhau mà xe vẫn chạy
Câu đố cổ điển: ngựa kéo xe một lực, xe kéo ngựa lại một lực bằng như vậy và ngược chiều. Hai lực triệt tiêu nhau, vậy lẽ ra không con ngựa nào kéo nổi cỗ xe. Thế nhưng xe vẫn chạy.
Lời giải nằm ở chỗ hai lực ấy đặt lên hai vật khác nhau, nên không thể cộng chúng với nhau. Muốn biết xe có chuyển động không, chỉ xét các lực tác dụng lên xe: lực kéo của ngựa về phía trước, ma sát lăn của mặt đường lên bánh xe về phía sau. Ngựa kéo đủ mạnh để vượt ma sát lăn thì xe tăng tốc.
Muốn biết ngựa có tiến được không, xét các lực tác dụng lên ngựa: lực xe kéo ngựa về phía sau, và lực mặt đất đẩy ngựa về phía trước. Lực đẩy thứ hai đến từ đâu? Ngựa đạp móng xuống đất và đẩy đất về phía sau, theo định luật 3 đất đẩy ngựa về phía trước bằng lực ma sát nghỉ. Khi lực đất đẩy ngựa lớn hơn lực xe giữ ngựa, ngựa tiến lên, kéo theo xe.
Bài học rút ra áp dụng cho mọi bài: chỉ cộng các lực tác dụng lên cùng một vật. Đặt bút vẽ hình, khoanh tròn đúng một vật đang xét và chỉ vẽ những mũi tên có điểm đặt nằm trên vật đó. Thói quen nhỏ này loại được loại lỗi khó chữa nhất trong phần động lực học.
Cặp lực hay bị nhận nhầm là lực và phản lực
Lỗi phổ biến nhất không phải quên định luật 3, mà là ghép nhầm cặp. Bảng sau so sánh cặp hay bị nhầm với cặp đúng.
| Tình huống | Cặp bị nhầm | Cặp lực và phản lực đúng |
|---|---|---|
| Quyển sách nằm yên trên bàn | Trọng lực của sách và lực mặt bàn đỡ sách | Sách ép lên bàn và bàn đỡ sách; Trái Đất hút sách và sách hút Trái Đất |
| Đèn treo bằng dây trên trần | Trọng lực của đèn và lực căng dây kéo đèn | Dây kéo đèn và đèn kéo dây; Trái Đất hút đèn và đèn hút Trái Đất |
| Người đứng trong thang máy | Trọng lực của người và lực sàn đẩy người | Người ép lên sàn và sàn đẩy người |
| Xe chạy đều trên đường | Lực kéo của động cơ và lực cản | Bánh xe đẩy mặt đường về sau và mặt đường đẩy bánh xe về trước |
Cột giữa là những cặp lực cân bằng: cùng đặt lên một vật, triệt tiêu nhau, và có thể không bằng nhau khi tình huống thay đổi. Ví dụ thang máy tăng tốc đi lên thì lực sàn đẩy người lớn hơn trọng lực. Còn cặp lực và phản lực thì luôn bằng nhau trong mọi trường hợp. Cách kiểm nhanh: nếu hai lực có cùng điểm đặt trên một vật, chúng không thể là cặp theo định luật 3.
Năm hiện tượng đời thường nhìn qua định luật 3
Đi bộ. Bàn chân đẩy mặt đất về phía sau, mặt đất đẩy bạn về phía trước. Trên sàn vừa lau còn ướt, ma sát nhỏ nên chân đẩy đất kém, đất đẩy lại cũng kém, vì thế bạn trượt chân. Đây là lý do định luật 3 và ma sát luôn đi cặp với nhau khi giải thích chuyển động của người và xe.
Bơi. Tay và chân đẩy nước về phía sau, nước đẩy người về phía trước. Người mới học bơi hay đập nước xuống dưới, tốn sức mà không tiến bao nhiêu, vì phần lớn phản lực của nước hướng lên chứ không hướng về trước.
Súng nước và bóng bay xì hơi. Quả bóng bay thổi căng rồi buông miệng sẽ lao đi lung tung: bóng ép khí phụt ra phía sau, khí đẩy bóng về phía trước. Tên lửa hoạt động theo cùng nguyên lý, và vì thế nó vẫn bay được trong chân không, nơi không có gì để “đẩy vào”.
Hai người trượt patin đẩy nhau. Hai bạn đứng yên trên patin, đặt hai bàn tay vào nhau rồi đẩy. Lực bằng nhau nhưng bạn nhẹ hơn trượt ra xa và nhanh hơn, vì gia tốc tỉ lệ nghịch với khối lượng. Thí nghiệm này cần làm trên mặt phẳng rộng, có đồ bảo hộ.
Đóng đinh. Búa tác dụng lực lên đinh, đinh tác dụng lực ngược lại lên búa đúng bằng như thế, nên búa bật nảy lên sau mỗi cú gõ. Lực bằng nhau, nhưng hiệu quả khác nhau vì đinh nhọn tập trung lực vào một diện tích rất nhỏ.
Kiểm chứng bằng hai lực kế: thí nghiệm năm phút
Định luật 3 là một trong số ít định luật bạn có thể tự kiểm bằng dụng cụ của phòng thí nghiệm trường mà không cần tính toán. Lấy hai lực kế lò xo cùng loại, móc đầu móc của chiếc này vào đầu móc của chiếc kia. Hai bạn cầm hai đầu, kéo nhẹ ra hai phía. Dù kéo mạnh hay nhẹ, dù một bạn giữ yên còn bạn kia kéo, hai lực kế luôn chỉ cùng một số.
Thử thêm một biến thể: một bạn giữ lực kế cố định, bạn kia kéo giật từng nhịp. Kim của hai lực kế vẫn nhảy cùng lúc và cùng mức. Điều này cho thấy hai lực xuất hiện đồng thời, không có chuyện “bên bị kéo phản ứng sau”. Nếu số chỉ lệch nhau một chút, nguyên nhân thường là hai lực kế chưa được chỉnh về vạch không trước khi đo, hoặc lực kế đặt nghiêng làm trọng lượng của vỏ lực kế cộng thêm vào.
Ghi kết quả thành bảng nhỏ ba cột: lần đo, số chỉ lực kế thứ nhất, số chỉ lực kế thứ hai. Sau đó viết một câu kết luận bằng lời của mình. Bạn có thể gửi bảng số liệu này cho AI và yêu cầu nó hỏi bạn về nguồn sai số, không cần gửi kèm ảnh chụp có người trong khung hình. Không có lực kế thì có thể dùng hai dây chun giống nhau móc vào nhau và so độ giãn, kết quả định tính vẫn rõ.
Luyện với AI: bắt nó hỏi “ai tác dụng lên ai”
Kỹ năng cốt lõi của định luật 3 là gọi đúng tên từng lực theo mẫu “lực do vật X tác dụng lên vật Y”. Chatbot rất hợp để luyện kỹ năng này vì nó có thể sinh tình huống mới không giới hạn. Một số câu lệnh mẫu:
- “Cho em một tình huống có ít nhất ba vật tiếp xúc nhau. Yêu cầu em liệt kê mọi cặp lực và phản lực theo mẫu lực do X tác dụng lên Y. Chỉ nhận xét sau khi em trả lời.”
- “Em nghĩ trọng lực và lực mặt bàn đỡ quyển sách là cặp lực và phản lực. Đừng nói đúng sai ngay, hãy hỏi em hai câu để em tự nhận ra.”
- “Giải thích nghịch lý ngựa kéo xe cho một bạn lớp 8 bằng không quá năm câu. Sau đó đưa em một nghịch lý tương tự về người kéo co.”
- “Tạo bốn câu trắc nghiệm về định luật 3 mà mỗi câu có một phương án sai đánh đúng vào hiểu lầm phổ biến. Đừng cho đáp án cho tới khi em chọn.”
Khi AI trả lời, kiểm lại bằng tiêu chí trong bảng phía trên: hai lực của một cặp có đặt lên hai vật khác nhau không, có cùng bản chất không. Chatbot đôi khi vẫn mắc đúng lỗi ghép trọng lực với phản lực của mặt bàn, nhất là khi câu hỏi viết mơ hồ. Gặp trường hợp đó, chỉ ra lỗi cho nó cũng là một cách luyện tập tốt. Đừng gửi kèm tên, lớp hay ảnh có mặt người trong cuộc trò chuyện.
Tự kiểm bằng ba câu hỏi khó
Trước khi chuyển sang chương khác, thử trả lời ba câu sau bằng lời của mình, viết ra giấy, sau đó mới so với bạn bè hoặc hỏi AI nhận xét:
- Trong trò kéo co, lực đội A kéo dây và lực dây kéo đội A bằng nhau. Vậy vì sao vẫn có đội thắng? Gợi ý: xét lực mặt đất tác dụng lên chân từng đội.
- Xe tải đâm vào xe máy. Lực xe tải tác dụng lên xe máy so với lực xe máy tác dụng lên xe tải thì thế nào? Vì sao hậu quả với người trên hai xe lại rất khác nhau?
- Một nam châm hút một mẩu sắt đặt cách nó vài cm. Mẩu sắt có hút nam châm không? Nếu đặt cả hai trên hai chiếc thuyền giấy nổi trên chậu nước, chuyện gì xảy ra?
Câu thứ hai là chỗ nhiều người lớn vẫn trả lời sai theo cảm tính. Lực bằng nhau, nhưng xe máy và người trên đó có khối lượng nhỏ hơn nhiều nên thay đổi vận tốc rất lớn trong thời gian rất ngắn. Hiểu được điều này là hiểu được định luật 2 và 3 cùng một lúc.
Câu hỏi thường gặp
Lực và phản lực bằng nhau thì sao không triệt tiêu nhau?
Vì chúng đặt lên hai vật khác nhau. Chỉ những lực tác dụng lên cùng một vật mới cộng lại thành hợp lực. Muốn biết một vật có chuyển động hay không, chỉ xét các lực đặt lên chính vật đó.
Định luật 3 có đúng với lực hút giữa các vật ở xa nhau không?
Có, với lực hấp dẫn, lực điện và lực từ ở mức phổ thông. Trái Đất hút Mặt Trăng và Mặt Trăng hút Trái Đất bằng nhau. Ở vật lý nâng cao có những trường hợp phức tạp hơn với trường điện từ, nhưng không cần cho chương trình phổ thông.
Vì sao súng giật lùi khi bắn?
Khi bắn, súng đẩy viên đạn về phía trước và viên đạn đẩy súng về phía sau với lực bằng nhau. Súng nặng hơn đạn rất nhiều nên vận tốc giật lùi nhỏ, nhưng vẫn đủ để người bắn cảm nhận được. Bài toán này thường được giải bằng bảo toàn động lượng.
Tên lửa bay trong vũ trụ thì đẩy vào cái gì?
Tên lửa không cần đẩy vào môi trường bên ngoài. Nó đẩy chính khối khí cháy phụt ra phía sau, và khối khí đẩy ngược lại tên lửa. Vì vậy tên lửa hoạt động trong chân không còn tốt hơn trong khí quyển, do không có lực cản.
Khi đứng yên trên sàn, lực sàn đẩy lên có phải phản lực của trọng lực không?
Không. Phản lực của trọng lực là lực bạn hút Trái Đất. Lực sàn đẩy lên là phản lực của lực chân bạn ép xuống sàn. Lực sàn đẩy lên và trọng lực chỉ là cặp lực cân bằng, cùng đặt lên người bạn.
Học sinh lớp 8 có cần học định luật 3 không?
Chương trình THCS đã giới thiệu ý tưởng tương tác và lực đàn hồi, còn phát biểu đầy đủ định luật 3 được học kỹ ở lớp 10. Phụ huynh có thể cho con lớp 8 làm thí nghiệm bóng bay xì hơi để làm quen trước mà không cần công thức.