Chuyển động ném xiên
Khi bạn ném một quả bóng, đá một quả bóng đá lên không trung, hoặc bắn một khẩu đại bác, quỹ đạo tạo ra là một trong những hình dạng dễ nhận biết nhất trong vật lý: hình parabol. Chuyển động ném xiên phân tích hiện tượng này bằng cách tách chuyển động của vật thành hai thành phần hoàn toàn độc lập với nhau — một vận tốc ngang không đổi, và một vận tốc thẳng đứng liên tục bị trọng lực gia tốc xuống dưới. Không thành phần nào “biết” đến thành phần kia; chính việc xử lý riêng rẽ rồi kết hợp lại kết quả là điều giúp ta dự đoán chính xác một vật sẽ bay xa bao nhiêu, ở trên không bao lâu, và lên cao đến đâu, chỉ bằng động học cơ bản.
Vì sao quỹ đạo là một parabol
Vì vị trí ngang thay đổi tuyến tính theo thời gian còn vị trí thẳng đứng thay đổi bậc hai theo thời gian, quỹ đạo trở thành parabol. Thay đổi tốc độ hoặc góc phóng sẽ làm đường cong thay đổi, nhưng trọng lực vẫn tạo cùng một gia tốc hướng xuống.
Rơi Tự Do & Chuyển Động Ném
Thả bất cứ thứ gì — một đồng xu hay một quả bóng bowling — trọng lực làm chúng tăng tốc đúng cùng một tỉ lệ, vậy nên chúng chạm đất cùng lúc. Ném một thứ gì đó theo phương ngang thì nó vẫn rơi thẳng xuống với cùng tốc độ đó, vì chuyển động ngang và chuyển động rơi hoàn toàn không ảnh hưởng lẫn nhau.
Công thức
h = ½ · g · t²
- h — độ cao rơi (m): vật đã rơi bao xa từ điểm bắt đầu
- g — gia tốc trọng trường (m/s²): tốc độ rơi tăng nhanh như thế nào mỗi giây — giống nhau cho mọi vật
- t — thời gian (s): vật đã rơi bao lâu
Ví dụ đã giải
Một quả bóng được thả từ trạng thái đứng yên và rơi trong 2 giây. Nó đã rơi bao xa? (dùng g = 9,8 mét trên giây bình phương)
- t = 2 s
- g = 9.8 m/s²
- h = ½ · g · t²
- h = 0.5 × 9.8 m/s² × (2 s)²
h = 19.6 m
Tự kiểm tra
Cùng quả bóng được thả lần nữa, nhưng lần này nó rơi trong 3 giây thay vì 2. Nó rơi bao xa?
- Đáp án đúng: 44.1 m
- 88.2 m
- 14.7 m
Đúng! h = ½ × 9,8 m/s² × (3 s)² = 44,1 mét — bình phương thời gian rất quan trọng.
Một quả bóng được thả thẳng xuống từ một cái bàn. Cùng lúc đó, một quả bóng thứ hai được phóng theo phương ngang từ cùng cái bàn. Quả nào chạm sàn trước?
- Quả bóng được thả
- Quả bóng được phóng theo phương ngang
- Đáp án đúng: Cả hai chạm sàn cùng lúc
Chính xác — tốc độ ngang không thay đổi chuyển động rơi, vậy nên cả hai quả bóng chạm sàn cùng một lúc.
Bạn thấy điều này ở đâu
Một quả bóng nhanh của cầu thủ ném bóng giảm khi nó qua đĩa nhà, sự rơi của một người lặn tăng tốc độ ngay cho đến khi bắn vào nước, và một mũi tên Nerf ném ngang vẫn hạ cánh cùng lúc với một mũi được thả rơi thẳng xuống. Bất cứ lúc nào có cái gì đó chuyển động trong không khí gần bề mặt Trái Đất mà không có động cơ riêng, đây là chuyển động bên dưới.
Những sai lầm phổ biến
Dễ nghĩ rằng một vật thể nặng hơn rơi nhanh hơn — trong trường hợp không có lực cản của không khí, khối lượng không ảnh hưởng đến tốc độ rơi chút nào, chỉ lực cản không khí có thể làm chậm một vật thể nhẹ hơn hoặc kém khí động học. Cũng dễ cho rằng một viên đạn được phóng ngang rơi chậm hơn một viên chỉ được thả rơi, nhưng cả hai va chạm mặt đất cùng một lúc: chuyển động ngang và sự rơi thẳng đứng hoàn toàn độc lập.
Nó liên kết như thế nào
Đây thường là chuyển động đầu tiên mà học sinh gặp phải với gia tốc không được gây ra bởi một cú đẩy hoặc kéo mà họ có thể thấy — lực hấp dẫn là nguyên nhân gia tốc. Định luật thứ hai Newton, tiếp theo, giải thích tại sao mọi vật thể rơi đều gia tốc với cùng một mức gia tốc bất kể khối lượng: F = ma có nghĩa là một vật thể nặng hơn cần lực tỷ lệ thuận hơn để gia tốc nó, và lực hấp dẫn cung cấp chính xác nhiều hơn thế.