Trong vật lý cơ học động lượng là một khái niệm cốt lõi phản ánh mức độ chuyển động của một vật thể. Cùng với đó định luật bảo toàn động lượng là một trong những định luật nền tảng có vai trò quan trọng không chỉ trong lý thuyết còn trong rất nhiều ứng dụng thực tế. Từ va chạm của xe cộ ngoài đường đến sự chuyển động của hành tinh trong vũ trụ, tất cả đều có thể được lý giải bằng nguyên lý này.
Khái niệm động lượng trong vật lý
Động lượng là đại lượng vật lý mô tả khả năng tiếp tục chuyển động của một vật. Nó phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng và vận tốc của vật thể. Vật có khối lượng càng lớn hoặc vận tốc càng cao thì động lượng càng lớn. Động lượng không chỉ là một con số đơn thuần mà còn là một đại lượng vectơ, nghĩa là nó có cả độ lớn với hướng.
Khi xét một vật đang chuyển động, việc hiểu động lượng của vật giúp chúng ta dự đoán được mức độ ảnh hưởng khi nó va chạm với vật khác cũng như đánh giá được khả năng thay đổi chuyển động của nó khi bị tác động bởi lực ngoài. Chính vì thế động lượng không thể tách rời khỏi các định luật chuyển động của Newton mà đặc biệt là định luật bảo toàn động lượng.
Định luật bảo toàn động lượng là gì
Định luật bảo toàn động lượng phát biểu rằng trong một hệ kín tức là hệ không chịu tác dụng của lực bên ngoài, tổng động lượng của hệ trước với cả sau tương tác là như nhau. Điều đó nghĩa là nếu các vật trong hệ chỉ tương tác với nhau mà không có lực bên ngoài tác động thì toàn bộ động lượng sẽ không thay đổi theo thời gian.
Đây là một trong những định luật cơ bản nhất của vật lý. Nó không chỉ đúng trong các hệ cơ học đơn giản mà còn đúng trong các hệ phức tạp như các va chạm hạt trong vật lý hạt nhân hay chuyển động của hành tinh trong thiên văn học.
Một điểm quan trọng của định luật này là nó áp dụng cho cả va chạm đàn hồi với va chạm không đàn hồi. Trong va chạm đàn hồi không chỉ động lượng mà cả năng lượng cơ học được bảo toàn. Trong va chạm không đàn hồi chỉ có động lượng được bảo toàn còn một phần năng lượng bị chuyển hóa thành dạng khác như nhiệt, âm thanh hay biến dạng.
Ý nghĩa vật lý và ứng dụng thực tiễn
Định luật bảo toàn động lượng có nhiều ứng dụng thực tiễn là nền tảng cho rất nhiều bài toán trong vật lý và kỹ thuật. Một số ví dụ tiêu biểu có thể kể đến như sau
Trong công nghiệp ô tô các kỹ sư sử dụng định luật này để phân tích mức độ nguy hiểm của các vụ va chạm từ đó thiết kế hệ thống an toàn như túi khí, vùng hấp thụ xung lực, cấu trúc khung xe sao cho hạn chế tối đa lực tác động lên người điều khiển khi xảy ra tai nạn.
Trong lĩnh vực quân sự khi nghiên cứu sự chuyển động của đạn sau khi bắn ra khỏi nòng súng, định luật bảo toàn động lượng giúp tính được phản lực tác động lại súng từ đó thiết kế cơ cấu giảm giật phù hợp.
Trong công nghệ vũ trụ nguyên lý này được áp dụng khi thiết kế hệ thống đẩy phản lực cho tên lửa. Khi khí được phụt mạnh ra phía sau, tên lửa chuyển động về phía trước để bảo toàn tổng động lượng của hệ thống.
Trong thể thao khi hai cầu thủ va chạm trên sân hay khi quả bóng được sút đi ta cũng có thể phân tích chuyển động dựa trên động lượng. Nắm được định luật bảo toàn động lượng giúp huấn luyện viên với vận động viên tối ưu hóa kỹ thuật cùng chiến thuật thi đấu.
Bài toán minh họa đơn giản
Xét một bài toán cơ bản sau để minh họa cho định luật
Một vật có khối lượng hai kg đang chuyển động với vận tốc ba mét trên giây va chạm với một vật khác có khối lượng ba kg đang đứng yên. Sau va chạm hai vật dính vào nhau rồi chuyển động với cùng một vận tốc. Hỏi vận tốc chung của hai vật sau va chạm là bao nhiêu
Để giải bài toán này, ta áp dụng định luật bảo toàn động lượng. Động lượng ban đầu chỉ có từ vật thứ nhất vì vật thứ hai đứng yên. Tổng động lượng ban đầu được tính bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật thứ nhất. Sau va chạm hai vật dính vào nhau nên coi như một vật có khối lượng tổng cộng là năm kg. Vận tốc chung được tính bằng cách lấy tổng động lượng ban đầu chia cho tổng khối lượng sau va chạm.
Kết quả là vận tốc chung sau va chạm sẽ nhỏ hơn vận tốc ban đầu vì động lượng được chia đều cho cả hai vật. Là biểu hiện rõ ràng của nguyên lý bảo toàn động lượng trong va chạm không đàn hồi.
Những điều cần lưu ý khi áp dụng định luật
Khi áp dụng định luật bảo toàn động lượng, điều quan trọng là phải xác định rõ hệ đang xét có phải là hệ kín hay không. Nếu có lực bên ngoài như ma sát, trọng lực hay lực đẩy từ bên ngoài can thiệp thì định luật không còn đúng một cách tuyệt đối. Trong trường hợp đó ta cần bổ sung thêm lực ngoại lực để tính toán chính xác.
Ngoài ra cần phân biệt rõ giữa bảo toàn động lượng với bảo toàn năng lượng. Nhiều người dễ nhầm lẫn hai khái niệm này. Trong khi động lượng luôn được bảo toàn trong hệ kín thì năng lượng có thể bị mất mát hay chuyển đổi thành dạng khác đặc biệt trong va chạm không đàn hồi.
Động lượng là một đại lượng vật lý phản ánh rõ ràng bản chất của chuyển động. Định luật bảo toàn động lượng là một trong những quy luật quan trọng nhất trong cơ học cổ điển giúp lý giải với dự đoán chính xác nhiều hiện tượng trong tự nhiên cũng như trong kỹ thuật hiện đại.