Cái này, nếu chi li, chi tiết ra là không đúng lắm đâu. Mình học lâu rồi, nên không nhớ rõ công thức, nhưng về bản chất thì mình vẫn nhớ, nên mình đặt câu hỏi và nhờ AI cho công thức, các bạn có thể xem nhé: cách tính lực hấp dẫn
Để tính lực hấp dẫn giữa hai vật, chúng ta sử dụng Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Định luật này phát biểu rằng mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau với một lực tỉ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
1. Công thức tính lực hấp dẫn
Công thức tổng quát là:
F
hd
=G
r
2
m
1
m
2
Trong đó:
F
hd
: Lực hấp dẫn (đơn vị là Newton, ký hiệu: N).
G: Hằng số hấp dẫn, có giá trị xấp xỉ 6,67×10
−11
N⋅m
2
/kg
2
.
m
1
,m
2
: Khối lượng của hai vật (đơn vị: kg).
r: Khoảng cách giữa tâm của hai vật (đơn vị: m).
2. Trường hợp đặc biệt: Trọng lực
Trọng lực mà chúng ta cảm nhận trên Trái Đất thực chất là lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vật đó.
Công thức tính gia tốc rơi tự do (g):
g=
(R+h)
2
G⋅M
(Với M,R lần lượt là khối lượng và bán kính Trái Đất; h là độ cao của vật)
Công thức tính nhanh trọng lượng (P): Khi vật ở gần mặt đất, ta thường dùng công thức đơn giản hơn:
P=m⋅g
(Thông thường g≈9,8 m/s
2
hoặc 10 m/s
2
)
3. Ví dụ minh họa
Đề bài: Tính lực hấp dẫn giữa hai quả cầu, mỗi quả nặng 50 kg, đặt cách nhau 2 m.
Giải: Áp dụng công thức: F
hd
=G
r
2
m
1
m
2
F
hd
=6,67×10
−11
⋅
2
2
50⋅50
=6,67×10
−11
⋅625≈4,17×10
−8
N
Nhận xét: Lực này cực kỳ nhỏ, đó là lý do chúng ta không cảm thấy các vật dụng thông thường hút nhau.
Lưu ý khi tính toán:
Luôn đổi đơn vị về kg (khối lượng) và m (khoảng cách) trước khi lắp vào công thức.
Khoảng cách r phải được tính từ tâm của vật này đến tâm của vật kia.
Bạn có muốn mình giải giúp một bài tập cụ thể nào về phần này không? Vậy gia tốc phụ thuộc vào khối lượng trái đất nhưng lại không phụ thuộc vào khổi lượng vật đó à?
Chính xác! Đây là một điểm cực kỳ thú vị và đôi khi gây nhầm lẫn trong vật lý: Mọi vật (không kể nặng hay nhẹ) đều rơi với cùng một gia tốc như nhau nếu bỏ qua lực cản không khí.
Để hiểu tại sao khối lượng của vật (m) lại bị "biến mất" khỏi công thức gia tốc, bạn hãy nhìn vào sự kết hợp giữa hai định luật của Newton:
1. Tại sao m lại bị triệt tiêu?
Theo Định luật Vạn vật hấp dẫn: Lực mà Trái Đất hút vật là: F=G
r
2
M⋅m
Theo Định luật II Newton: Lực tác dụng lên một vật bằng khối lượng nhân với gia tốc của nó: F=m⋅g
Khi chúng ta đặt hai công thức này bằng nhau để tìm gia tốc g:
m⋅g=G
r
2
M⋅m
Bạn sẽ thấy khối lượng của vật (m) xuất hiện ở cả hai vế. Sau khi chia cả hai vế cho m, chúng ta còn lại:
g=
r
2
G⋅M
2. Ý nghĩa thực sự của việc này
Mặc dù vật nặng hơn thì bị Trái Đất hút với một lực lớn hơn (F lớn hơn), nhưng vật nặng hơn cũng có quán tính lớn hơn (nó "lì" hơn, khó làm nó thay đổi vận tốc hơn).
Vật nặng: Lực kéo mạnh + Quán tính lớn = Gia tốc trung bình (g).
Vật nhẹ: Lực kéo yếu + Quán tính nhỏ = Gia tốc trung bình (g).
Hai yếu tố này bù trừ hoàn hảo cho nhau, dẫn đến kết quả là mọi vật đều rơi nhanh như nhau.
3. Các yếu tố thực sự ảnh hưởng đến g
Vì công thức chỉ còn là g=
r
2
G⋅M
, nên gia tốc chỉ phụ thuộc vào:
M (Khối lượng thiên thể): Nếu bạn sang Sao Hỏa hay Mặt Trăng, g sẽ thay đổi vì khối lượng các hành tinh này khác Trái Đất.
r (Khoảng cách đến tâm): * Càng lên cao, r càng lớn thì g càng giảm.
Do Trái Đất không tròn tuyệt đối (hơi dẹt ở hai cực), nên ở cực Bắc/Nam bạn sẽ gần tâm hơn ở Xích đạo, dẫn đến g ở địa cực lớn hơn một chút so với ở Xích đạo.
Một câu hỏi vui để bạn suy ngẫm: Nếu bạn thả một chiếc lông chim và một quả cầu sắt trong một ống chân không (không có không khí), cái nào sẽ chạm đất trước?
Bạn có muốn mình giải thích thêm về thí nghiệm thả rơi nổi tiếng của Galileo hay thí nghiệm chân không của NASA không?
Bây giờ, mình sẽ suy nghĩ như này, Mình sẽ lấy hệ quy chiếu là vật đó chứ không phải trái đất. Vậy thì chúng ta sẽ tính gia tốc của trái đất so với vật đó, như vậy thì trong công thức trên, gia tốc của trái đất phụ thuộc vào khối lượng của vật đó rồi còn gì?
Bạn tư duy rất sắc sảo! Bạn hoàn toàn đúng: Xét về mặt toán học và vật lý lý thuyết, Trái Đất cũng bị gia tốc về phía vật.
Theo Định luật III Newton, khi Trái Đất hút vật bằng một lực F, thì vật cũng hút lại Trái Đất bằng một lực có độ lớn y hệt như vậy nhưng ngược chiều.
1. Công thức tính gia tốc của Trái Đất
Nếu chúng ta chọn hệ quy chiếu là vật (coi vật đứng yên) và tính gia tốc của Trái Đất (a
TĐ
) về phía vật:
Lực tác dụng lên Trái Đất: F=G
r
2
M⋅m
Theo Định luật II Newton cho Trái Đất: F=M⋅a
TĐ
Từ đó suy ra:
a
TĐ
=
M
F
=
r
2
G⋅m
Đúng như bạn đã đoán: Gia tốc của Trái Đất phụ thuộc vào khối lượng của vật (m) chứ không phải khối lượng của chính nó (M).
2. Tại sao chúng ta thường bỏ qua nó?
Hãy thử thay số với một vật nặng 100 kg (một người khá lớn) đang đứng trên mặt đất:
G≈6,67×10
−11
m=100 kg
r=R
TĐ
≈6,4×10
6
m
a
TĐ
≈
(6,4×10
6
)
2
6,67×10
−11
⋅100
≈1,6×10
−22
m/s
2
Con số này là vô cùng nhỏ (số 0 phẩy kèm theo 21 số 0 rồi mới đến số 1). Để bạn dễ hình dung: với gia tốc này, trong suốt 1 tỷ năm, Trái Đất cũng chỉ dịch chuyển được một khoảng cách nhỏ hơn cả kích thước của một nguyên tử.
3. Khi nào thì khối lượng vật bắt đầu quan trọng?
Gia tốc này chỉ trở nên đáng kể khi khối lượng của vật (m) đủ lớn để so sánh được với Trái Đất.
Ví dụ: Khi tính toán chuyển động của hệ Trái Đất - Mặt Trăng. Lúc này, Mặt Trăng đủ nặng để làm Trái Đất "lắc lư" thực sự. Cả hai thực tế đều quay quanh một điểm chung gọi là khối tâm (barycenter) của hệ, chứ không phải Trái Đất đứng yên tuyệt đối.
Tổng kết lại logic của bạn:
Gia tốc của vật (g): Phụ thuộc vào khối lượng Trái Đất (M).
Gia tốc của Trái Đất (a
TĐ
): Phụ thuộc vào khối lượng của vật (m).
Gia tốc tương đối giữa cả hai: Là tổng của cả hai gia tốc trên: a
tươngđ
o
^
ˊ
i
=g+a
TĐ
=
r
2
G(M+m)
.
Vì M quá lớn so với m của các vật thông thường, nên M+m≈M. Đó là lý do trong sách giáo khoa, người ta thường đơn giản hóa và nói rằng gia tốc chỉ phụ thuộc vào Trái Đất.
Bản chất của trọng lực và các định luật Newton
Video này giải thích chi tiết cách thiết lập các công thức gia tốc từ định luật Newton, giúp bạn kiểm chứng lại cách triệt tiêu khối lượng mà chúng ta vừa thảo luận.
Bạn có muốn thử tính xem với khối lượng của Mặt Trăng, nó sẽ làm Trái Đất gia tốc bao nhiêu không?