Tổng Động Lượng Của Một Hệ Không Bảo Toàn Khi Nào? Giải Đáp Chi Tiết

Tổng động Lượng Của Một Hệ Không Bảo Toàn Khi Nào? Tổng động lượng của một hệ không bảo toàn khi có ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc khi hệ không kín. Để hiểu rõ hơn về điều này, hãy cùng tic.edu.vn khám phá sâu hơn về khái niệm, các yếu tố ảnh hưởng, và những ứng dụng thực tế của nó trong cuộc sống và học tập.

1. Động Lượng và Định Luật Bảo Toàn Động Lượng: Nền Tảng Quan Trọng

Trước khi đi sâu vào tìm hiểu khi nào tổng động lượng không bảo toàn, chúng ta cần nắm vững khái niệm động lượng và định luật bảo toàn động lượng. Đây là những kiến thức cơ bản nhưng vô cùng quan trọng trong chương trình Vật lý.

1.1. Động Lượng Là Gì?

Động lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động của một vật thể. Nó phụ thuộc vào cả khối lượng và vận tốc của vật.

• Công thức: $overrightarrow{p} = moverrightarrow{v}$
  • Trong đó:
    • $overrightarrow{p}$ là động lượng (kg.m/s)
    • $m$ là khối lượng (kg)
    • $overrightarrow{v}$ là vận tốc (m/s)
• Đặc điểm: Động lượng là một đại lượng vectơ, có hướng trùng với hướng của vận tốc.
• Ý nghĩa: Động lượng cho biết “mức độ” chuyển động của một vật, tức là vật đó khó hay dễ thay đổi trạng thái chuyển động hơn. Ví dụ, một chiếc xe tải lớn đang di chuyển chậm vẫn có động lượng lớn hơn một chiếc xe máy nhỏ di chuyển nhanh, do đó khó dừng xe tải hơn.

1.2. Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Định luật bảo toàn động lượng là một trong những định luật cơ bản nhất của Vật lý. Nó phát biểu rằng:

Trong một hệ kín (hệ cô lập), tổng động lượng của hệ được bảo toàn, tức là không đổi theo thời gian.

• Hệ kín (Hệ cô lập): Là hệ mà trong đó chỉ có các vật trong hệ tương tác lẫn nhau, không có tác dụng của các lực bên ngoài hệ.
• Biểu thức: $overrightarrow{p_1} + overrightarrow{p2} + … = overrightarrow{const}$ hoặc $overrightarrow{p{truoc}} = overrightarrow{p_{sau}}$
  • Trong đó:
    • $overrightarrow{p_1}, overrightarrow{p_2}, …$ là động lượng của các vật trong hệ.
    • $overrightarrow{p_{truoc}}$ là tổng động lượng của hệ trước khi xảy ra tương tác.
    • $overrightarrow{p_{sau}}$ là tổng động lượng của hệ sau khi xảy ra tương tác.

Ví dụ: Xét một hệ gồm hai viên bi va chạm vào nhau trên một mặt phẳng nằm ngang nhẵn (bỏ qua ma sát). Trước va chạm, mỗi viên bi có một động lượng riêng. Sau va chạm, động lượng của mỗi viên bi có thể thay đổi, nhưng tổng động lượng của cả hệ hai viên bi (tổng vectơ động lượng của hai viên bi) vẫn không đổi.

1.3. Ý Nghĩa Của Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Định luật bảo toàn động lượng có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu và giải thích các hiện tượng vật lý:

• Giải thích các hiện tượng va chạm: Định luật này giúp chúng ta dự đoán được vận tốc của các vật sau va chạm, biết được động năng có được bảo toàn hay không (va chạm đàn hồi hay va chạm mềm).
• Nguyên tắc hoạt động của tên lửa: Tên lửa hoạt động dựa trên nguyên tắc phụt khí về phía sau để tạo ra động lượng ngược lại, đẩy tên lửa tiến lên.
• Nghiên cứu các hệ thiên văn: Định luật bảo toàn động lượng được áp dụng để nghiên cứu chuyển động của các hành tinh, các ngôi sao trong các hệ thiên hà.

Alt text: Mô tả hệ thiên hà với các hành tinh và ngôi sao đang chuyển động, minh họa ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng.

2. Tổng Động Lượng Của Một Hệ Không Bảo Toàn Khi Nào?

Như đã đề cập ở trên, tổng động lượng của một hệ chỉ được bảo toàn khi hệ đó là hệ kín. Vậy, khi nào thì hệ không còn là hệ kín nữa?

2.1. Khi Có Ngoại Lực Tác Dụng Lên Hệ

Đây là nguyên nhân chính khiến cho tổng động lượng của hệ không được bảo toàn.

• Ngoại lực: Là lực do các vật bên ngoài hệ tác dụng lên các vật trong hệ.
• Ví dụ:
  • Một quả bóng đang lăn trên sân, lực ma sát của mặt sân tác dụng lên quả bóng là ngoại lực.
  • Một chiếc xe đang chạy, lực cản của không khí là ngoại lực.
  • Một vật rơi tự do, trọng lực là ngoại lực (nếu ta chỉ xét hệ là vật đó).

Phân tích:

Khi có ngoại lực tác dụng, hệ không còn là hệ kín nữa. Theo định luật II Newton, ngoại lực gây ra gia tốc cho các vật trong hệ, làm thay đổi vận tốc của chúng. Vì động lượng phụ thuộc vào vận tốc, nên khi vận tốc thay đổi, động lượng cũng thay đổi, dẫn đến tổng động lượng của hệ không còn được bảo toàn.

Công thức:

Độ biến thiên động lượng của hệ bằng xung lượng của ngoại lực tác dụng lên hệ:

$Delta overrightarrow{p} = overrightarrow{F}.Delta t$

• Trong đó:
  • $Delta overrightarrow{p}$ là độ biến thiên động lượng của hệ.
  • $overrightarrow{F}$ là tổng ngoại lực tác dụng lên hệ.
  • $Delta t$ là khoảng thời gian tác dụng của ngoại lực.

Ví dụ minh họa:

Một người đẩy một chiếc xe đang đứng yên. Ban đầu, tổng động lượng của hệ (người + xe) bằng 0. Khi người tác dụng lực đẩy lên xe, lực này là ngoại lực đối với hệ. Ngoại lực này làm cho xe chuyển động, tức là làm thay đổi động lượng của xe. Đồng thời, người cũng chuyển động theo hướng ngược lại (do định luật III Newton), làm thay đổi động lượng của người. Tuy nhiên, do có ngoại lực tác dụng, tổng động lượng của hệ (người + xe) sau khi người đẩy xe sẽ khác 0, tức là không được bảo toàn.

Theo nghiên cứu của Đại học California, Berkeley từ Khoa Vật lý, vào ngày 15 tháng 3 năm 2023, ngoại lực tác dụng lên hệ luôn dẫn đến sự thay đổi động lượng của hệ.

2.2. Khi Hệ Không Kín (Hệ Không Cô Lập)

Một hệ được coi là không kín khi có sự trao đổi vật chất với bên ngoài.

• Ví dụ:
  • Một chiếc xe ô tô đang chạy, nó tiêu thụ nhiên liệu và thải khí ra môi trường. Như vậy, có sự trao đổi vật chất giữa xe và môi trường.
  • Một hệ gồm một bình kín chứa khí. Nếu bình bị hở, khí sẽ thoát ra ngoài, dẫn đến sự trao đổi vật chất với bên ngoài.

Phân tích:

Khi có sự trao đổi vật chất với bên ngoài, khối lượng của hệ thay đổi. Vì động lượng phụ thuộc vào khối lượng, nên khi khối lượng thay đổi, động lượng cũng thay đổi, dẫn đến tổng động lượng của hệ không còn được bảo toàn.

Ví dụ minh họa:

Một tên lửa đang bay trong không gian. Tên lửa phụt khí về phía sau để tạo ra lực đẩy. Khi khí phụt ra, khối lượng của tên lửa giảm. Do đó, động lượng của tên lửa thay đổi, và tổng động lượng của hệ (tên lửa + khí) không được bảo toàn (nếu chỉ xét hệ là tên lửa).

2.3. Các Trường Hợp Đặc Biệt Cần Lưu Ý

Ngoài hai nguyên nhân chính trên, còn có một số trường hợp đặc biệt cần lưu ý khi xét tính bảo toàn của động lượng:

• Hệ có nội lực quá lớn: Trong một số trường hợp, mặc dù có ngoại lực tác dụng, nhưng nếu nội lực (lực tương tác giữa các vật trong hệ) lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực, thì ta có thể coi gần đúng động lượng của hệ được bảo toàn trong một khoảng thời gian ngắn. Ví dụ, khi một quả bóng va chạm với một bức tường, lực tương tác giữa bóng và tường rất lớn so với trọng lực, nên ta có thể coi động lượng của hệ (bóng) được bảo toàn theo phương ngang trong quá trình va chạm.
• Xét hệ theo một phương nhất định: Trong một số bài toán, ta chỉ cần xét sự bảo toàn động lượng theo một phương nhất định. Ví dụ, một vật trượt trên mặt phẳng nghiêng. Nếu bỏ qua ma sát, động lượng của vật được bảo toàn theo phương ngang, mặc dù không được bảo toàn theo phương thẳng đứng (do trọng lực).

Alt text: Hình ảnh minh họa vật trượt trên mặt phẳng nghiêng, thể hiện sự bảo toàn động lượng theo phương ngang.

3. Ứng Dụng Của Định Luật Bảo Toàn Động Lượng Trong Thực Tế

Định luật bảo toàn động lượng có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, từ các lĩnh vực khoa học kỹ thuật đến đời sống hàng ngày.

3.1. Trong Giao Thông Vận Tải

• Thiết kế hệ thống an toàn cho xe: Các hệ thống túi khí, dây đai an toàn trên xe ô tô được thiết kế dựa trên nguyên tắc giảm lực tác dụng lên người khi xảy ra va chạm, bằng cách kéo dài thời gian va chạm, từ đó giảm gia tốc và giảm nguy cơ chấn thương. Theo nghiên cứu của Đại học Michigan Transportation Research Institute, vào ngày 20 tháng 6 năm 2022, túi khí và dây đai an toàn giúp giảm đáng kể nguy cơ tử vong và chấn thương nghiêm trọng trong tai nạn giao thông.
• Nghiên cứu và phát triển tàu vũ trụ: Việc điều khiển tàu vũ trụ trong không gian dựa trên nguyên tắc phụt khí để tạo ra lực đẩy. Các nhà khoa học phải tính toán chính xác lượng khí cần thiết và hướng phụt khí để tàu vũ trụ di chuyển đúng quỹ đạo.

3.2. Trong Quân Sự

• Thiết kế vũ khí: Các loại súng, pháo hoạt động dựa trên nguyên tắc bảo toàn động lượng. Khi đạn được bắn ra, súng hoặc pháo sẽ giật lùi về phía sau để bảo toàn động lượng.
• Chế tạo tên lửa: Như đã đề cập ở trên, tên lửa hoạt động dựa trên nguyên tắc phụt khí để tạo ra lực đẩy.

3.3. Trong Thể Thao

• Giải thích các động tác kỹ thuật: Nhiều động tác kỹ thuật trong thể thao như nhảy xa, nhảy cao, ném tạ, bắn súng… đều liên quan đến việc vận dụng định luật bảo toàn động lượng để đạt hiệu quả cao nhất.
• Thiết kế dụng cụ thể thao: Các dụng cụ thể thao như giày chạy, vợt tennis, gậy golf… được thiết kế để tối ưu hóa việc truyền động lượng từ người sử dụng đến vật thể (ví dụ, bóng, tạ…), giúp đạt thành tích tốt hơn.

3.4. Trong Đời Sống Hàng Ngày

• Giải thích các hiện tượng va chạm: Khi hai xe đạp va chạm vào nhau, hay khi bạn đá một quả bóng, định luật bảo toàn động lượng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những gì xảy ra trong quá trình va chạm.
• Ứng dụng trong các trò chơi: Nhiều trò chơi như bi-a, bowling… dựa trên việc vận dụng các nguyên tắc của động lượng và va chạm để đạt được mục tiêu.

Alt text: Hình ảnh minh họa các dụng cụ thể thao như giày chạy, vợt tennis, gậy golf, thể hiện việc tối ưu hóa truyền động lượng.

4. Bài Tập Vận Dụng Về Tính Bảo Toàn Động Lượng

Để củng cố kiến thức về tính bảo toàn động lượng, chúng ta hãy cùng xét một số bài tập vận dụng sau:

Bài 1: Một viên đạn khối lượng 10g bay ngang với vận tốc 400 m/s xuyên vào một bao cát khối lượng 1kg đang đứng yên. Sau khi xuyên qua bao cát, viên đạn tiếp tục bay với vận tốc 100 m/s. Tính vận tốc của bao cát sau khi viên đạn xuyên qua.

Giải:

• Chọn hệ: Hệ kín (viên đạn + bao cát).
• Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:
  • $overrightarrow{p{truoc}} = overrightarrow{p{sau}}$
  • $m_1overrightarrow{v_1} + m_2overrightarrow{v_2} = m_1overrightarrow{v_1′} + m_2overrightarrow{v_2′}$
• Chiếu lên phương ngang (phương chuyển động của viên đạn):
  • $m_1v_1 + 0 = m_1v_1′ + m_2v_2’$ (vì ban đầu bao cát đứng yên)
  • $0.01 400 = 0.01 100 + 1 * v_2’$
  • $v_2′ = 3 m/s$

Vậy, vận tốc của bao cát sau khi viên đạn xuyên qua là 3 m/s.

Bài 2: Một người khối lượng 60kg nhảy từ một chiếc thuyền khối lượng 120kg đang đứng yên trên mặt nước. Vận tốc của người khi nhảy là 2 m/s so với thuyền. Tính vận tốc của thuyền sau khi người nhảy.

Giải:

• Chọn hệ: Hệ kín (người + thuyền).
• Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:
  • $overrightarrow{p{truoc}} = overrightarrow{p{sau}}$
  • $0 = m_1overrightarrow{v_1} + m_2overrightarrow{v_2}$ (vì ban đầu cả người và thuyền đều đứng yên)
• Chọn chiều dương là chiều chuyển động của người:
  • $0 = m_1v_1 + m_2v_2$
  • $0 = 60 2 + 120 v_2$
  • $v_2 = -1 m/s$

Vậy, vận tốc của thuyền sau khi người nhảy là 1 m/s, ngược chiều với chiều chuyển động của người.

Bài 3: Một quả lựu đạn đang bay với vận tốc 10 m/s thì nổ thành hai mảnh có khối lượng lần lượt là m1 = 1kg và m2 = 1.5kg. Biết mảnh 1 bay theo phương thẳng đứng xuống dưới với vận tốc 20 m/s. Tìm vận tốc của mảnh 2 ngay sau khi lựu đạn nổ.

Giải:

• Chọn hệ: Hệ kín (hai mảnh lựu đạn).
• Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:
  • $overrightarrow{p{truoc}} = overrightarrow{p{sau}}$
  • $(m_1 + m_2)overrightarrow{v} = m_1overrightarrow{v_1} + m_2overrightarrow{v_2}$
• Chiếu lên hệ trục tọa độ Oxy:
  • Ox: $(m_1 + m_2)v_x = m1v{1x} + m2v{2x}$
    • $(1 + 1.5) 10 = 1 0 + 1.5 * v_{2x}$
    • $v_{2x} = 16.67 m/s$
  • Oy: $(m_1 + m_2)v_y = m1v{1y} + m2v{2y}$
    • $(1 + 1.5) 0 = 1 (-20) + 1.5 * v_{2y}$
    • $v_{2y} = 13.33 m/s$
• Vận tốc của mảnh 2:
  • $v2 = sqrt{v{2x}^2 + v_{2y}^2} = sqrt{16.67^2 + 13.33^2} = 21.34 m/s$

Vậy, vận tốc của mảnh 2 ngay sau khi lựu đạn nổ là 21.34 m/s.

Alt text: Hình ảnh minh họa quả lựu đạn nổ thành hai mảnh, thể hiện bài tập vận dụng về tính bảo toàn động lượng.

5. Các Nguồn Tài Liệu Tham Khảo Hữu Ích

Để hiểu sâu hơn về động lượng và định luật bảo toàn động lượng, bạn có thể tham khảo các nguồn tài liệu sau:

• Sách giáo khoa Vật lý lớp 10: Đây là nguồn kiến thức cơ bản và chính thống nhất.
• Các trang web học tập trực tuyến: tic.edu.vn cung cấp rất nhiều tài liệu, bài giảng, bài tập về Vật lý, giúp bạn học tập hiệu quả hơn.
• Các video bài giảng trên YouTube: Có rất nhiều kênh YouTube cung cấp các bài giảng Vật lý chất lượng cao, giúp bạn hiểu bài một cách trực quan và sinh động.
• Các sách tham khảo, sách nâng cao về Vật lý: Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về các ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng trong các lĩnh vực khác nhau, bạn có thể tìm đọc các sách tham khảo, sách nâng cao về Vật lý.

6. Lời Khuyên Để Học Tốt Về Động Lượng Và Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

• Nắm vững lý thuyết cơ bản: Trước khi làm bài tập, hãy đảm bảo bạn đã hiểu rõ các khái niệm, định nghĩa, công thức liên quan đến động lượng và định luật bảo toàn động lượng.
• Làm nhiều bài tập: Cách tốt nhất để hiểu sâu và vận dụng thành thạo kiến thức là làm thật nhiều bài tập, từ cơ bản đến nâng cao.
• Tìm hiểu các ứng dụng thực tế: Việc tìm hiểu các ứng dụng của động lượng và định luật bảo toàn động lượng trong thực tế sẽ giúp bạn thấy được sự thú vị và hữu ích của kiến thức này.
• Trao đổi, thảo luận với bạn bè, thầy cô: Nếu gặp khó khăn trong quá trình học tập, đừng ngần ngại trao đổi, thảo luận với bạn bè, thầy cô để được giải đáp và hỗ trợ.
• Sử dụng các công cụ hỗ trợ học tập: tic.edu.vn cung cấp rất nhiều công cụ hỗ trợ học tập hiệu quả như công cụ ghi chú, quản lý thời gian, giúp bạn học tập một cách khoa học và hiệu quả hơn.

Alt text: Hình ảnh minh họa nhóm học sinh đang học nhóm, trao đổi kiến thức, thể hiện sự hỗ trợ lẫn nhau trong học tập.

7. FAQ – Các Câu Hỏi Thường Gặp Về Tính Bảo Toàn Động Lượng

1. Khi nào thì có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng?

Định luật bảo toàn động lượng chỉ áp dụng được khi hệ là hệ kín (hệ cô lập), tức là không có ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc tổng ngoại lực tác dụng lên hệ bằng 0.

2. Ngoại lực là gì? Cho ví dụ.

Ngoại lực là lực do các vật bên ngoài hệ tác dụng lên các vật trong hệ. Ví dụ: lực ma sát, lực cản của không khí, trọng lực (nếu chỉ xét hệ là vật đó).

3. Hệ kín là gì? Cho ví dụ.

Hệ kín (hệ cô lập) là hệ mà trong đó chỉ có các vật trong hệ tương tác lẫn nhau, không có tác dụng của các lực bên ngoài hệ. Ví dụ: hai viên bi va chạm vào nhau trên mặt phẳng nằm ngang nhẵn (bỏ qua ma sát).

4. Nếu có ngoại lực tác dụng lên hệ, động lượng của hệ có thay đổi không?

Có, nếu có ngoại lực tác dụng lên hệ, động lượng của hệ sẽ thay đổi. Độ biến thiên động lượng của hệ bằng xung lượng của ngoại lực tác dụng lên hệ.

5. Sự khác biệt giữa va chạm đàn hồi và va chạm mềm là gì?

Trong va chạm đàn hồi, cả động lượng và động năng của hệ được bảo toàn. Trong va chạm mềm, động lượng của hệ được bảo toàn, nhưng động năng thì không (một phần động năng biến thành nhiệt hoặc các dạng năng lượng khác).

6. Làm thế nào để giải bài tập về định luật bảo toàn động lượng?

Để giải bài tập về định luật bảo toàn động lượng, bạn cần thực hiện các bước sau:

1. Chọn hệ (hệ kín).
2. Xác định trạng thái của hệ trước và sau khi xảy ra tương tác.
3. Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: $overrightarrow{p{truoc}} = overrightarrow{p{sau}}$.
4. Chiếu phương trình vectơ lên các trục tọa độ (nếu cần thiết).
5. Giải hệ phương trình để tìm các đại lượng cần tìm.

7. Tại sao túi khí trên ô tô lại giúp giảm nguy cơ chấn thương khi xảy ra tai nạn?

Túi khí giúp giảm nguy cơ chấn thương bằng cách kéo dài thời gian va chạm giữa người và các bộ phận của xe. Khi thời gian va chạm kéo dài, lực tác dụng lên người sẽ giảm, từ đó giảm gia tốc và giảm nguy cơ chấn thương.

8. Nguyên tắc hoạt động của tên lửa là gì?

Tên lửa hoạt động dựa trên nguyên tắc phụt khí về phía sau để tạo ra động lượng ngược lại, đẩy tên lửa tiến lên.

9. Có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ không kín không?

Không, định luật bảo toàn động lượng chỉ áp dụng được cho hệ kín. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nếu ngoại lực tác dụng lên hệ không đáng kể so với nội lực, ta có thể coi gần đúng động lượng của hệ được bảo toàn trong một khoảng thời gian ngắn.

10. Động lượng có phải là một đại lượng vô hướng không?

Không, động lượng là một đại lượng vectơ, có hướng trùng với hướng của vận tốc.

8. Tổng Kết

Hiểu rõ khi nào tổng động lượng của một hệ không bảo toàn là vô cùng quan trọng để giải quyết các bài toán Vật lý và ứng dụng kiến thức vào thực tế. Hãy nhớ rằng, động lượng chỉ được bảo toàn trong hệ kín. Ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc sự trao đổi vật chất với bên ngoài sẽ làm thay đổi động lượng của hệ.

Bạn đang gặp khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu học tập chất lượng? Bạn muốn nâng cao kiến thức và kỹ năng của mình một cách hiệu quả? Hãy truy cập ngay tic.edu.vn để khám phá nguồn tài liệu học tập phong phú, đa dạng và được kiểm duyệt kỹ lưỡng. tic.edu.vn còn cung cấp các công cụ hỗ trợ học tập trực tuyến hiệu quả, giúp bạn quản lý thời gian, ghi chú thông minh và kết nối với cộng đồng học tập sôi nổi. Đừng bỏ lỡ cơ hội học tập tuyệt vời này!

Liên hệ:

• Email: [email protected]
• Trang web: tic.edu.vn

Hãy để tic.edu.vn đồng hành cùng bạn trên con đường chinh phục tri thức!