Mục lục bài họcĐang ở d02-b4
Universal Gravitation and Apparent Weight
Newton's law of gravitation
$$F_g=\frac{Gm_1m_2}{r^2},\qquad G=6{,}67\times10^{-11}\ \text{N·m}^2/\text{kg}^2$$Every pair of masses attracts along the line joining them, with equal and opposite forces (a third-law pair, so the Earth pulls on you exactly as hard as you pull on the Earth). The distance $r$ is measured between centres, not from the surface. Because of the $r^2$, doubling the distance divides the force by four, and tripling it divides by nine.
The familiar $g$ is just this law with the Earth as one of the masses:
$$g=\frac{GM_E}{r^2}$$At one Earth radius above the surface, $r=2R_E$, so $g$ falls to $\frac{9{,}8}{4}\approx2{,}45$ m/s². Astronauts in low orbit at $400$ km altitude still feel about $90\%$ of surface gravity — they float because they are in free fall, not because gravity has vanished.
Mass is not weight
Mass is the amount of matter and does not change from place to place; it appears in $F=ma$ as inertia and in $F_g=Gm_1m_2/r^2$ as the source of gravity. That these two masses are the same number is why all objects fall with the same $g$. Weight is the gravitational force $mg$ and changes with location.
Apparent weight: what a scale actually reads
A bathroom scale does not measure gravity — it measures the normal force it exerts on you. Standing in a lift, the free-body diagram has only two forces, $N$ up and $mg$ down, and Newton's second law with up positive gives
$$N-mg=ma\quad\Longrightarrow\quad N=m(g+a)$$Accelerating upward (or slowing while moving down) makes $N \gt mg$: you feel heavier. Accelerating downward makes $N \lt mg$. In free fall $a=-g$ and $N=0$: "weightless", though the weight $mg$ is unchanged. A $60$ kg person in a lift accelerating upward at $2$ m/s² presses on the scale with $60(10+2)=720$ N instead of $600$ N.
Định luật hấp dẫn: $F_g=\dfrac{Gm_1m_2}{r^2}$, hai vật hút nhau bằng cặp lực bằng nhau và ngược chiều (cặp định luật ba — Trái Đất hút bạn đúng bằng bạn hút Trái Đất). Khoảng cách $r$ đo giữa hai tâm, không phải từ mặt đất. Vì có $r^2$ nên gấp đôi khoảng cách thì lực giảm bốn lần. Gia tốc $g$ chỉ là định luật này với Trái Đất làm một vật: $g=\dfrac{GM_E}{r^2}$. Ở độ cao bằng một bán kính Trái Đất, $r=2R_E$, $g$ còn $9{,}8/4\approx2{,}45$ m/s². Phi hành gia ở quỹ đạo thấp vẫn chịu $\sim90\%$ trọng lực mặt đất — họ lơ lửng vì đang rơi tự do, không phải vì hết trọng lực.
Khối lượng không phải trọng lượng. Khối lượng là lượng chất, không đổi theo nơi chốn; trọng lượng $mg$ là lực hấp dẫn, đổi theo vị trí.
Trọng lượng biểu kiến: cân không đo trọng lực, cân đo phản lực pháp tuyến $N$ mà nó tác dụng lên bạn. Trong thang máy, sơ đồ vật tự do chỉ có $N$ hướng lên và $mg$ hướng xuống; chọn chiều dương hướng lên: $N-mg=ma\Rightarrow N=m(g+a)$. Thang tăng tốc đi lên (hoặc đang đi xuống mà phanh) thì $N \gt mg$, thấy nặng hơn; tăng tốc đi xuống thì nhẹ hơn; rơi tự do thì $N=0$ — “mất trọng lượng” dù $mg$ vẫn nguyên. Người $60$ kg trong thang tăng tốc lên $2$ m/s² ép lên cân $60(10+2)=720$ N thay vì $600$ N.
Người $60$ kg đứng trên cân trong thang máy. Lấy $g=10$ m/s². Tính số chỉ của cân (bằng newton) khi thang (a) đi xuống với gia tốc $2$ m/s²; (b) đi xuống đều $3$ m/s; (c) đang đi xuống $3$ m/s thì phanh, dừng lại sau $1{,}5$ s.
Sơ đồ vật tự do của người: $N$ hướng lên, $mg=600$ N hướng xuống. Chọn chiều dương hướng lên, $N-mg=ma$.
(a) Gia tốc hướng xuống nên $a=-2$ m/s²:
$$N=m(g+a)=60(10-2)=480\ \text{N}$$(b) Đi đều nên $a=0$, bất kể thang đang đi lên hay xuống:
$$N=mg=600\ \text{N}$$(c) Vận tốc $-3$ m/s về $0$ trong $1{,}5$ s, gia tốc hướng lên:
$$a=\frac{0-(-3)}{1{,}5}=+2\ \text{m/s}^2\quad\Longrightarrow\quad N=60(10+2)=720\ \text{N}$$Thang đang đi xuống nhưng người vẫn thấy nặng hơn — vì thứ quyết định là chiều của gia tốc, không phải chiều chuyển động.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 2 — Force and Translational Dynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.