Bài toán về va chạm giữa các vật thể là một chủ đề quan trọng trong chương trình Vật lý. Bài viết này sẽ tập trung phân tích một tình huống cụ thể: Một Quả Cầu Thứ Nhất Có Khối Lượng 2kg va chạm với một quả cầu khác. Chúng ta sẽ sử dụng các định luật bảo toàn để xác định vận tốc và hướng chuyển động của các quả cầu sau va chạm.
Xét bài toán sau: Một quả cầu có khối lượng 2kg chuyển động với vận tốc 3 m/s đến va chạm vào một quả cầu khác có khối lượng 3kg đang chuyển động cùng chiều với vận tốc 1 m/s trên một đường thẳng ngang. Sau va chạm, quả cầu thứ nhất có khối lượng 2kg chuyển động với vận tốc 0.6 m/s theo chiều ban đầu. Giả sử bỏ qua ma sát và lực cản, hãy xác định chiều và vận tốc của quả cầu thứ hai sau va chạm.
Để giải quyết bài toán này, chúng ta sẽ áp dụng định luật bảo toàn động lượng. Định luật này phát biểu rằng tổng động lượng của một hệ kín (trong trường hợp này là hai quả cầu) được bảo toàn trước và sau va chạm.
Công thức biểu diễn định luật bảo toàn động lượng như sau:
m1v1 + m2v2 = m1v’1 + m2v’2
Trong đó:
- m1 là khối lượng quả cầu thứ nhất (2kg)
- v1 là vận tốc ban đầu của quả cầu thứ nhất (3 m/s)
- m2 là khối lượng quả cầu thứ hai (3kg)
- v2 là vận tốc ban đầu của quả cầu thứ hai (1 m/s)
- v’1 là vận tốc của quả cầu thứ nhất sau va chạm (0.6 m/s)
- v’2 là vận tốc của quả cầu thứ hai sau va chạm (cần tìm)
Chọn chiều chuyển động ban đầu của quả cầu thứ nhất có khối lượng 2kg làm chiều dương. Thay các giá trị đã biết vào công thức, ta có:
(2 kg)(3 m/s) + (3 kg)(1 m/s) = (2 kg)(0.6 m/s) + (3 kg)(v’2)
Giải phương trình trên để tìm v’2:
6 kg.m/s + 3 kg.m/s = 1.2 kg.m/s + 3 kg * v’2
9 kg.m/s – 1.2 kg.m/s = 3 kg * v’2
- 8 kg.m/s = 3 kg * v’2
v’2 = 7.8 kg.m/s / 3 kg = 2.6 m/s
Kết quả cho thấy vận tốc của quả cầu thứ hai sau va chạm là 2.6 m/s. Vì giá trị này dương, quả cầu thứ hai tiếp tục chuyển động theo chiều dương, tức là cùng chiều với chuyển động ban đầu của quả cầu thứ nhất có khối lượng 2kg.
Bài toán này minh họa rõ ràng việc áp dụng định luật bảo toàn động lượng để phân tích các va chạm trong vật lý. Đặc biệt, việc xác định đúng chiều dương và thay thế các giá trị một cách cẩn thận là rất quan trọng để có được kết quả chính xác.