tiểu luận LSVL phần cơ học

Cơ học là một ngành của Vật lý nghiên cứu về chuyển động của vật chất trong không gian và thời gian dưới tác dụng của các lực và những hệ quả của chúng lên môi trường xung quanh.. Thuyết

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý là một ngành khoa học tự nhiên rất thú vị Vật lý bao trùm nhiều lĩnh vực như: Quang học (tán sắc, khúc xạ, phản xạ…), điện (điện trường, từ trường ), cơ học (lực, chuyển động, dao động, ) Vật lý hạt nhân (phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ) Ngoài ra Vật lý còn có các chuyên ngành khác như: Vật

lý lý thuyết, điện tử cơ sở…Trong đó cơ học là một trong những lĩnh vực phát triển đầu tiên của ngành khoa học Vật lý

Cơ học là một ngành của Vật lý nghiên cứu về chuyển động của vật chất trong không gian và thời gian dưới tác dụng của các lực và những hệ quả của chúng lên môi trường xung quanh Ngành này đã phát triển từ thời các nền văn minh cổ đại Trong thời kỳ cận đại, các nhà khoa học Galileo, Kepler, và đặc biệt là Newton đã đặt nền tảng cho sự phát triển của ngành này mà bây giờ gọi

là cơ học cổ điển

Thông thường khi nói đến cơ học thì người ta hiểu ngầm đó là cơ học cổ điển, ngành này nghiên cứu các vật thể vĩ mô có vận tốc chuyển động nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng Thuyết tương đối hẹp nghiên cứu các vật thể chuyển động với vận tốc xấp xỉ tốc độ ánh sáng và thuyết tương đối rộng mở rộng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton lên một mức sâu sắc hơn Cơ học lượng tử nghiên cứu tự nhiên ở cấp độ vi mô và là thành tựu to lớn của vật lý hiện đại

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CƠ HỌC

I Sơ lược về lịch sử hình thành và phát triển của cơ học.

Thời kì cổ đại, con người đã biết sử dụng các máy đơn giản trong các công trình xây dựng đường xá, đền đài, nhà ở Đó là các đòn bẩy, mặt phẳng nghiêng, ròng rọc, con nêm

Những viên gạch đầu tiên của bộ môn cơ học dường như được xây nền

từ thời Hy Lạp cổ đại Những kết quả nghiên cứu đầu tiên được ngày nay biết đến là của Archimedes (287-212 TCN) Chúng bao gồm định lý mang tên ông trong thuỷ tĩnh học, khái niệm về khối tâm và nghiên cứu cân bằng của đòn bẩy

Cơ học chỉ được đánh thức vào thời kỳ Phục Hưng ở châu Âu với những tiến bộ vượt bậc vào thế kỉ XVI Trong suốt đêm trường thời Trung Cổ, những

lý thuyết ngụy biện của Aristote (384-322 TCN) đã ngăn trở rất nhiều sự đi lên của khoa học đích thực Vào thời này, chúng ta phải kể đến Leonardo da Vinci (1452-1519) với những nghiên cứu về tĩnh học Tuy nhiên những tên tuổi lớn nhất của giai đoạn huy hoàng này chính là nhà khoa học người Ba LanNicolai Copernic (1473-1543) - người đã phủ nhận mô hình với Trái Đất là trung tâm vũ trụ của Ptolémée (xem thuyết địa tâm) và mô tả những chuyển động đúng đắn của hệ mặt trời, là nhà thiên văn học người Đức Johannes Kepler (1571-1630) - người đã phát biểu ba định luật mang tên ông về sự chuyển động của các hành tinh, là nhà bác học thiên tài người ÝGalileo Galilei (1564-1642) Có thể nói Galileo là ông tổ khai sáng ra động lực học: Ông

đã đưa ra khái niệm gia tốc, phát biểu vào năm 1632nguyên lý tương đối Galileo và nguyên lý quán tính Ông cũng đã nghiên cứu đến rất nhiều những vấn đề khác nhau của cơ học: Con lắc, mặt phẳng nghiêng, sự rơi tự do

Kế tiếp sau đó, sang thế kỉ XVII, nhà khoa học người PhápBlaise Pascal (1623-1662) đã có những nghiên cứu quan trọng về thủy tĩnh học Nhà vật lý người Hà LanChristiaan Huygens (1629-1695) đã phân tích chuyển động quay, đặc biệt là những dao động của con lắc và đưa ra khái niệm về động năng cũng như về lực hướng tâm Đặc biệt, nhà bác học người AnhIsaac Newton (1642-1727) đã xuất bản cuốn sách Philosphiae naturalis principia mathematica (Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên) trong đó có nêu

lên ba định luật mang tên ông, tạo nên nền tảng của cơ học cổ điển Chúng ta cũng biết đến Newton với định luật vạn vật hấp dẫn của vũ trụ

II Lịch sử hình thành và phát triển cơ học.

1 Cơ học thời kỳ Ai Cập cổ đại.

Các Kim tự tháp vĩ đại ở Ai cập chứng tỏ từ 3000 năm trước Công Nguyên, con người cổ đại đã có những kiến thức nhất định về cơ học và đã có khả năng quản lý một nguồn nhân lực và nguồn nguyên liệu rất lớn trong các công trình xây dựng Tuy nhiên các tri thức vật lý học ban đầu đó còn rời rạc, lẻ

tẻ, chưa thành hệ thống Các máy cơ đơn giản đã được sử dụng từ thời Ai Cập

cổ đại, nhưng phải 3000 năm sau những lý luận đầu tiên về các máy cơ đơn giản mới xuất hiện dưới dạng các quy tắc về đòn bẩy, mặt phẳng nghiêng,…

Tóm lại, ở thời Cổ đại, mặc dù chưa có mầm mống của Vật lý học, nhưng

đã có một vài tri thức lẻ tẻ về cơ học

Việc sử dụng đòn bẩy và mặt phẳng nghiêng ở thời Cổ đại

2 Cơ học thời kỳ Hy Lạp Cổ đại.

Trong thời kì này, nổi bật nhất là Archimedes

Nhằm phục vụ việc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, Archimedes đã chế tạo

ra nhiều loại máy cơ học để nâng nước sông lên tưới ruộng (ốc vô tận Acsimet), máy ném đá, cần cẩu để cẩu và nhấn chìm thuyền địch…

Tuy Archimedes không phát minh ra đòn bẩy, ông đã đưa ra một giải thích

về nguyên lý trong tác phẩm Về sự cân bằng của các hành tinh của mình Những

miêu tả trước đó về đòn bẩy có trong trường phái Peripatetic của những học trò của Aristotle, và thỉnh thoảng được gán cho Archytas Theo Pappus của Alexandria, những công việc của Archimedes về đòn bẩy khiến ông phát biểu:

"Hãy cho tôi một điểm tựa và tôi sẽ nhấc bổng cả Trái Đất." (tiếng Hy Lạp: δῶς μοι

πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω). Plutarch đã miêu tả cách Archimedes thiết kế các hệ thống puli khối và dây cho phép các thuỷ thủ sử dụng nguyên lý đòn bẩy để nhấc những vật bình thường là quá nặng để di chuyển với họ Archimedes cũng cải thiện được công suất và độ chính xác của máy bắn đá, và với việc phát minh ra đồng hồ

đo trong Chiến tranh Punic lần thứ nhất Đồng hồ đo được miêu tả như một chiếc

xe với cơ cấu bánh xe nhả một quả bóng vào trong một thùng chứa sau mỗi dặm đi được

Archimedes cũng đã tìm ra định luật nổi tiếng về lực đẩy của chất lỏng, mang tên định luật Acsimet Không những ông đã nghiên cứu điều kiện của các vật nổi mà còn nghiên cứu điều kiện cân bằng bền của các vật nổi có hình dạng khác nhau Đó là những vấn đề rất cần thiết cho kĩ thuật đóng tàu biển mà mãi tới thể kỷ XIX người ta mới phát biểu đầy đủ và chứng minh được chính xác

3 Cơ học thời kỳ Phục hưng ở Châu Âu.

* Những nghiên cứu về cơ học của Xtêvin.

Xtêvin (1548-1620) đã chứng minh rằng khi một vật nặng được kéo lên theo một mặt phẳng nghiêng thì tỉ số giữa lực kéo và trọng lượng của vật bằng tỉ

số giữa độ cao và độ dài của mặt phẳng nghiêng Ông cũng đã nghiên cứu điều kiện nổi của các vật và tính được áp suất chất lỏng lên thành bên của vật nổi

* Những nghiên cứu về cơ học của Galileo Galilei.

Máy bắn đá - loại vũ khí hoạt động bằng nguyên lý cơ học về lực đòn bẩy

- Galileo đã thả những quả bóng cùng vật liệu, nhưng có trọng lượng khác nhau, từ Tháp nghiêng Pisa để chứng minh rằng thời gian rơi của chúng không phụ thuộc vào trọng lượng Điều này trái ngược với điều Aristotle đã dạy: rằng các vật thể nặng rơi nhanh hơn các vật thể nhẹ, liên quan trực tiếp tới trọng lượng

- Galileo đã đề xuất rằng một vật thể rơi sẽ rơi với gia tốc đồng nhất, khi sức cản của môi trường mà nó đang rơi trong đó là không đáng kể, hay trong trường hợp giới hạn sự rơi của nó xuyên qua chân không Ông cũng xuất phát từ định luật động học chính xác cho khoảng cách đã được đi qua trong một gia tốc đồng nhất bắt đầu từ sự nghỉ, có nghĩa nó tỷ lệ với bình phương của thời gian

( d ∝ t 2 )

- Ông cũng kết luận rằng các vật thể duy trì chuyển động của chúng trừ

khi một lực - thường là ma sát - tác động vào chúng, bác bỏ lý thuyết nói chung được chấp nhận của Aristotele rằng các vật thể "tất nhiên" giảm tốc độ và dừng lại trừ khi một lực tác động vào chúng

- Galileo cũng tuyên bố (không chính xác) rằng một sự đu đưa của con lắc luôn mất cùng khoảng thời gian, độc lập với biên độ Có nghĩa, một con lắc đơn giản là đẳng thời

4 Cơ học ở thế kỷ XVII.

Đây được xem là thời kỳ hoàng kim của cơ học cổ điển, với những nghiên cứu của các nhà khoa học nổi tiếng: nhà khoa học Pháp Blaise Pascal (1623-1662) đã có những nghiên cứu quan trọng về thủy tĩnh học Nhà vật lý Hà

Vòm thánh đường Pisa với cây đèn của Galileo

Lan Christiaan Huygens (1629-1695) đã phân tích chuyển động quay, đặc biệt là những dao động của con lắc và đưa ra khái niệm về động năng cũng như về lực hướng tâm Đặc biệt, nhà bác học Anh Isaac Newton (1642-1727) đã xuất bản

cuốn sách Philosphiae naturalis principia mathematica (Những nguyên lý toán

học của triết học tự nhiên) trong đó có nêu lên ba định luật mang tên ông, tạo nên nền tảng của cơ học cổ điển Newton còn được biết đến với định luật vạn vật hấp dẫn của vũ trụ

* Những nghiên cứu về cơ học của Christiaan Huygens.

Sang thể kỷ XVII, nhà Vật lý Hà Lan Christiaan Huygens (1629-1695) đã phân tích chuyển động quay, đặc biệt là những dao động của con lắc và đưa ra khái niệm về động năng cũng như về lực hướng tâm

Bất kỳ lực nào (trọng lực, lực điện từ, v.v.) hoặc sự kết hợp các lực với nhau đều

có thể đóng vai trò là lực hướng tâm

Ví dụ đơn giản về chuyển động tròn đều Một trái banh được buộc vào một trục quay và đang xoay ngược chiều kim đồng hồ trên một quỹ đạo xác định với vận tốc gốc ω Vận tốc của trái banh là một vecto tiếp tuyến với quỹ đạo, và liên tục thay đổi phương, gây ra do lực luôn hướng về tâm Lực hướng tâm do dây tạo ra, dưới dạng lực căng dây

5 Cơ học Newton.

5.1 Những khái niệm cơ bản của cơ học Newton.

5.1.1 Lượng vật chất.

- Theo quan niệm của Descartes thì vũ trụ chứa đầy vật chất, không có chân không trong vũ trụ Vì vậy thể tích của vật đủ để xác định lượng vật chất trong vật

- Theo quan niệm của Newton thì vũ trụ gồm các nguyên tử chuyển động trong không gian trống rỗng, vì vậy lượng vật chất chính là số lượng nguyên tử Thể tích của vật càng lớn, mật độ phân bố các nguyên tử càng lớn Rõ ràng rằng Newton đã xây dựng khái niệm khối lượng chính xác hơn Descartes

- Tiếp theo, Newton đã đặt vấn đề đo khối lượng của vật, một vấn đề mà trước đó chưa ai đề cập đến Dựa trên thí nghiệm với các loại con lắc và các thí nghiệm về sự rơi tự do, ông đã rút ra các kết luận quan trọng: Gia tốc rơi tự do không phụ thuộc vào khối lượng của vật

- Ông cũng khẳng định khối lượng và trọng lượng tỷ lệ với nhau Vì vậy

có thể dùng cân để xác định “lượng vật chất”.

- Sau khi tìm ra định luật II ông đã xác định một đặc trưng nội tại của vật,

đó là quán tính Ông đã định nghĩa quán tính là khả năng vốn có của vật chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động Từ các kết quả nghiên cứu ông khẳng định quán tính của một vật tỷ lệ với khối lượng của nó Vì thế ngày nay khối lượng được hiểu một cách tổng quát nhất là: khối lượng là một đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật

5.1.2 Động lượng.

- Descartes cũng đã định nghĩa động lượng tương tự như vậy nhưng ông chưa hiểu được vận tốc là một đại lượng vecto vì vậy ông chưa nhận ra được động lượng cũng là một đại lượng vecto

- Khi xây dựng khái niệm động lượng, Newton đã nhận thấy rõ vận tốc là một đại lượng vecto và ông đã phát biểu quy tắc hình bình hành vận tốc

5.1.3 Lực

Newton là người đầu tiên đã nêu lên một khái niệm chính xác về lực Nội dung khái niệm lực của Newton là chính xác nhưng cách phát biểu của nó là

chưa rõ ràng Ở thời Newton và cho tới tận thể kỷ XIX, các nhà vật lý còn dùng thuật ngữ “lực” với nhiều ý nghĩa khác nhau và gây nên những nhầm lẫn

5.1.4 Không gian và thời gian trong cơ học.

- Newton đã định nghĩa được những khái niệm cơ bản của cơ học, nhưng

để xây dựng cơ học cần đến hệ quy chiếu vì nếu không chỉ ra được hệ quy chiếu thì nói đến chuyển động là vô nghĩa Vì vậy, ông đã đưa vào các tác phẩm của mình các khái niệm không gian và thời gian được hiểu như những hệ quy chiếu Theo Newton thì có cả không thời gian tuyệt đối và tương đối được định nghĩa như sau:

- Thời gian tuyệt đối: Là sự lâu dài thuần túy, là cái trống rỗng để chứa

cái biến cố Thời gian tuyệt đối không phải là vật chất, không chịu ảnh hưởng của vật chất và cũng không tác động lên vật chất Nó có một chiều, vô hạn, đồng nhất và trôi đều đặn từ quá khứ đến tương lai

- Thời gian tương đối: Là sự lâu dài cụ thể mà ta có thể cảm nhận được

nhờ một quá trình nào đó Ví dụ: chuyển động của kim đồng hồ, dao động của con lắc,…

- Không gian tuyệt đối: Là cái trống rỗng để chứa mọi vật, nó không

phải là vật chất, không tác động lên vật chất, và không chịu tác dụng của vật chất Nó có ba chiều, nó liên tục, vô hạn, đồng nhất, đẳng hướng và không chuyển động

Không gian tương đối: Là không gian cụ thể do các vật cụ thể chiếm

chỗ

- Trên cơ sở những quan niệm về không gian và thời gian như trên, Newton cũng định nghĩa chuyển động tuyệt đối của một vật là sự dời vị trí của vật đó trong không gian tuyệt đối và trong thời gian tuyệt đối Chuyển động tương đối cũng được Newton định nghĩa tương tự

- Newton cũng cho rằng có thể phát hiện được chuyển động tuyệt đối bằng phương pháp vật lý thích hợp Tuy nhiên sau này mọi cố gắng của các nhà khoa học để tìm ra chuyển động tuyệt đối (tức là phát hiện ra không gian tuyệt đối) đều bị thất bại, dẫn đến cuộc khủng hoảng vật lý học vào cuối thế kỷ thứ XIX

• Ba định luật chuyển động của Newton đã ra đời như thế nào?

- Từ sau năm 1609, khi Johannes Kepler phát hiện ra các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo một quỹ đạo hình elip (chứ không phải hình tròn), các nhà khoa học liên tục thử dùng các phương pháp toán học để giải thích các quỹ đạo đó Robert Hooke và John Halley đều đã từng làm theo cách đó nhưng kết quả họ thu được không như mong đợi

- Năm 1665, Luân Đôn bùng phát bệnh dịch hạch, trường Cambridge buộc phải cho học sinh nghỉ học và Newton phải về trang trại của người em gái

để tránh dịch bệnh Ở trang trại, Newton rất chán nản vì cuộc sống đơn điệu thiếu đi những công cụ toán học để miêu tả sức mạnh cùng sự vận động luôn thay đổi Newton quyết định làm sáng tỏ những sức mạnh nào có thể khiến cho vật chuyển động hay đứng yên

- Ngoài việc đọc các tài liệu tương đối mới của Kepler và Halley, Newton còn chú tâm đọc các nghiên cứu của Galileo và Aristotle Ông sưu tầm những kết quả và lý luận nghiên cứu trước đây của các nhà học giả Hy Lạp cổ, các lý luận đó rất tản mạn và thường mâu thuẫn với nhau Newton có một biệt tài khiến người khác khâm phục đó là khả năng chọn ra những thiểu số tinh túy từ những

số lượng lớn Newton đã sàng lọc và chọn ra các trọng tâm quan trọng phổ biến trong các lý luận đó

- Newton không được coi là một nhà thí nghiệm, ông thích suy ngẫm mọi vấn đề, ông làm thí nghiệm trong tư tưởng giống như Enstein Ông thường dành rất nhiều thời gian để suy ngẫm cho đến khi tìm được đáp án mới thôi Nếu nói theo cách của Newton thì ông “bày các vấn đề ra trước mắt sau đó chờ đợi, cứ chờ cho đến khi xuất hiện tia sáng đầu tiên, từ từ theo đó lần ra, cuối cùng bỗng nhiên bừng sáng”

- Không lâu sau đó, Newton phải băn khoăn, trăn trở với câu hỏi: Sức mạnh nào đã dẫn đến sự chuyển động? Ông dành thời gian để nghiên cứu kĩ hơn

về định luật vật rơi tự do của Galileo và quy luật sự vận động các hành tinh của Kepler Ông tiến hành nghiên cứu quên ăn quên ngủ, đến mức gần quá sức chịu đựng của cơ thể

- Đầu năm 1666, Newton đưa ra ba định luật chuyển động, ba định luật này là điều kiện không thể thiếu cho sự ra đời của các phát hiện vi tích phân và