Trong vật lý chuyển động bằng phản lực là một trong những biểu hiện rõ ràng mạnh mẽ nhất của định luật III Newton. Từ nguyên lý đơn giản về lực với phản lực, con người đã phát triển công nghệ tên lửa, tàu vũ trụ, động cơ phản lực cùng nhiều thiết bị hiện đại khác. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu sâu về bản chất của chuyển động phản lực, cách nó tuân theo định luật Newton với vai trò của nguyên lý này trong khoa học cũng như cuộc sống thực tế.
Định luật III Newton là gì
Định luật III Newton, hay còn gọi là định luật về lực và phản lực phát biểu rằng khi một vật tác dụng lực lên vật khác thì vật đó cũng tác dụng lại một lực có độ lớn bằng nhưng hướng ngược lại. Hai lực này luôn xuất hiện đồng thời mà không tách rời nhau được gọi là một cặp lực tương tác.
Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, định luật này lại đóng vai trò rất quan trọng trong việc lý giải nhiều hiện tượng cơ học đặc biệt là chuyển động không cần điểm tựa như trong môi trường không trọng lực hay chân không.
Bản chất của chuyển động bằng phản lực
Chuyển động bằng phản lực là hiện tượng xảy ra khi một hệ vật tự đẩy chính nó tiến về phía trước bằng cách phóng ra một phần khối lượng theo hướng ngược lại. Không cần tiếp xúc với môi trường bên ngoài, vật vẫn có thể chuyển động nhờ sự tương tác nội tại giữa các phần của hệ.
Một ví dụ dễ hình dung là việc bắn pháo hoa. Khi thuốc nổ cháy khí sinh ra được phụt mạnh ra phía sau tạo ra phản lực đẩy pháo hoa bay lên trời. Tương tự nếu đứng trên băng trơn và ném mạnh một vật về phía trước, ta sẽ bị đẩy lùi về phía sau.
Cả hai tình huống trên đều thể hiện rõ nguyên tắc hành động và phản ứng. Khí nóng đẩy ra một phía, vật thể phản ứng bằng cách chuyển động về phía ngược lại. Tất cả đều tuân theo định luật III Newton.
Tên lửa và chuyển động bằng phản lực
Tên lửa là ứng dụng nổi bật nhất của chuyển động phản lực. Khi nhiên liệu cháy trong buồng đốt, khí được đẩy ra phía sau với tốc độ rất lớn. Theo định luật III Newton tên lửa nhận một phản lực có cùng độ lớn nhưng ngược hướng khiến nó chuyển động về phía trước.
Điều đặc biệt là tên lửa có thể hoạt động cả trong không gian chân không, nơi không có không khí để đẩy vào. Điều này khiến nhiều người nhầm tưởng rằng tên lửa cần môi trường để phản ứng. Thực ra chuyển động phản lực không cần điểm tựa bên ngoài. Chỉ cần có sự trao đổi nội tại về động lượng giữa hai phần của hệ là tên lửa có thể tăng tốc.
Chính điều này làm cho tên lửa trở thành công nghệ then chốt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Việc đưa vệ tinh lên quỹ đạo phóng tàu thăm dò hay đưa phi hành gia ra ngoài không gian đều dựa vào nguyên lý phản lực do định luật III Newton mô tả.
Động cơ phản lực trong hàng không
Ngoài tên lửa động cơ phản lực trên máy bay cũng hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự. Không khí được hút vào buồng đốt nén lại rồi pha trộn với nhiên liệu rồi đốt cháy. Khí nóng sau quá trình đốt được đẩy mạnh ra phía sau tạo ra phản lực đẩy máy bay về phía trước.
Động cơ phản lực mang lại hiệu suất rất cao ở tốc độ lớn và độ cao cao do không cần cơ cấu truyền động cơ khí phức tạp. Khả năng khai thác phản lực trong môi trường khí quyển giúp máy bay phản lực đạt được tốc độ và tầm bay vượt trội so với các loại động cơ truyền thống.
Tàu vũ trụ và điều hướng bằng phản lực
Một ứng dụng khác của chuyển động phản lực là điều khiển hướng di chuyển của tàu vũ trụ trong không gian. Do không có không khí để dùng cánh lái như trên máy bay, tàu vũ trụ sử dụng các vòi phun nhỏ để đẩy khí ra theo hướng nhất định. Mỗi lần phun khí tạo ra một phản lực giúp tàu thay đổi phương hay quay đầu hay ổn định vị trí.
Việc tính toán chính xác các phản lực này đòi hỏi độ chính xác cao và phần mềm điều khiển hiện đại. Tuy nhiên, nguyên lý cơ bản vẫn là định luật III Newton. Lực và phản lực diễn ra bên trong hệ khép kín không cần tương tác với môi trường bên ngoài.
Thí nghiệm đơn giản về phản lực
Trong các lớp học vật lý, thầy cô giáo thường dùng chai nước có lỗ đục hay bóng bay để minh họa nguyên lý phản lực. Khi khí hoặc nước phụt ra khỏi chai hoặc bóng bay, phản lực làm cho vật chuyển động theo hướng ngược lại.
Những thí nghiệm đơn giản này giúp học sinh hiểu trực quan định luật III Newton đồng thời thấy được tính ứng dụng thực tế của phản lực trong cuộc sống.
Phân biệt với các lực khác
Một điểm quan trọng cần lưu ý là lực và phản lực luôn tác dụng lên hai vật khác nhau. Đây là điều khác biệt với các cặp lực đối kháng trong cùng một hệ. Ví dụ lực ma sát với lực kéo có thể cân bằng nhau nhưng không phải là cặp lực phản lực.
Ngoài ra, trong một số trường hợp, lực và phản lực không cùng xuất hiện tại một điểm hoặc không tác động lên cùng một phần của hệ nên cần phân tích rõ để tránh nhầm lẫn khi áp dụng định luật.
Vai trò trong đời sống và công nghệ
Chuyển động phản lực không chỉ có trong tên lửa hay máy bay. Trong đời sống thường ngày, việc bơi lội hay trượt băng thậm chí là bước đi cũng có yếu tố phản lực. Khi chân ta đẩy vào mặt đất, cơ thể phản ứng bằng cách chuyển động về phía trước.
Nhờ hiểu rõ định luật III Newton và chuyển động phản lực, con người đã chế tạo ra nhiều thiết bị hiệu quả hơn tiết kiệm năng lượng hơn mở ra kỷ nguyên chinh phục không gian. Việc khai thác nguyên lý này vẫn còn tiềm năng rất lớn trong tương lai đặc biệt là các phương tiện giao thông siêu tốc hay hệ thống đẩy trong môi trường không khí loãng.
Chuyển động bằng phản lực là một minh chứng sống động cho sự chính xác cùng sức mạnh ứng dụng của định luật III Newton. Dù ra đời từ thế kỷ mười bảy, định luật này vẫn giữ nguyên giá trị trong thế giới hiện đại từ bài học vật lý trong lớp học đến công nghệ hàng không vũ trụ tân tiến.
Từ khóa chuyển động bằng phản lực tuân theo định luật nào