Tài liệu Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn

Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 1 NHỮNG ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC, CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VÀ CƠ HỌC THIÊN VĂN. (ĐƯỢC XÂY DỰNG TRÊN CƠ SỞ CÁC HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỘNG VÀ CÁC HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC CỦA CÁC VẬT THỂ VỪA CÓ CHUYỂN ĐỘNG DỜI CHỔ VỪA CÓ CHUYỂN ĐỘNG QUAY QUANH TÂM CỦA CHÍNH NÓ) 1. Định luật bảo toàn trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) sẵn có của vật thể khi vật thể bị áp đặt chuyển động theo một lộ trình cong, hay định luật quán tính chuyển động quay tròn của vật thể khi vật thể có sự thay đổi trạng thái chuyển động dời chỗ theo lộ trình bất kỳ: Ghi chú: Cụm từ “chuyển động quay quanh tâm” hoặc “quay quanh tâm” là cụm từ có ý nói đến chuyển động quay của vật thể/hạt với chuyển động quay này quay quanh tâm của chính vật thể/ hạt, chuyển động này có thể là chuyển động quay tròn quanh một trục với trục không có sự thay đổi phương hoặc trục có sự thay đổi phương của trục quay một cách mang tính một cách tuần hoàn, chuyển động quay quanh tâm này còn được sử dụng cho các vật thể hay hạt có chuyển động quỹ đạo quay quanh trục quay có phương không đổi hoặc có phương thay đổi một cách tuần hoàn và quỹ đạo quay quanh trục này có dạng đối xứng hoặc gần đối xứng. Chú thích cho các phần trước của nghiên cứu: Trong các phần trước của nghiên cứu đã dùng cụm từ “chuyển động quay tròn” cũng để chỉ chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật/hạt, tuy nhiên cụm từ “chuyển động quay tròn” không được chính xác trong một số trường hợp mà vậ/hạt có chuyển động quay quanh tâm với trục quay thay đổi phương một cách tuần hoàn, còn cụm từ chuyển động quay tròn sẽ có thể được hiểu rằng là chuyển động quay quanh một trục với trục quay này không có sự thay đổi phương. “Trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) sẵn có ban đầu của vật thể gồm trạng thái vận tốc quay quanh tâm, phương trục quay quanh tâm và chiều chuyển động quay quanh tâm của vật thể luôn được bảo toàn khi vật thể này bị áp đặt chuyển động dời chỗ theo mọi lộ trình chuyển động, trong đó lộ trình chuyển động áp đặt này có thể là lộ trình cong, thẳng hay gấp khúc theo mọi phương chiều và mọi vận tốc chuyển động dời chỗ khác nhau”. Chú giải: Có thể hình dung ra trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) sẵn có của một vật thể bảo tòan (như so với mặt đất) khi vật thể đó chịu áp đặt chuyển động dời chỗ theo lộ trình cong với mô hình: Chẳng hạn như một khối cầu bằng thủy tinh màu và khối cầu thủy tình màu này được bao bởi một lồng cầu bằng thủy tinh trong không màu với đường kính trong của lồng cầu lớn hơn đường kính của khối cầu màu một ít, giữa khối cầu và lồng cầu là một lớp chất bôi trơn, trên lồng cầu có 1 rãnh nhỏ xuyên qua bề mặt lồng cầu và rãnh nhỏ này có chức năng là khe để một bánh cao su quay đưa vào truyền động năng quay cho khối cầu màu theo phương quay và chiều quay nhất định với lồng cầu vẫn giữa không có chuyển động quay so với mặt đất, sau khi khối cầu màu có chuyển động quay và nếu xem như ma sát giữa lồng cầu và khối cầu màu là không đáng kể thì khi áp đặt di chuyển lồng cầu theo các lộ trình chuyển động dời chỗ theo các đường cong khác nhau thì khối cầu màu sẽ luôn giữ được trạng thái chuyển động quay tròn ban dầu của nó trong đó gồm phương mặt phẳng xích đạo quay, chiều Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 2 quay và vận tốc quay so với mặt đất là luôn không đổi, tương tự như vậy đối với trạng thái ban đầu sẵn có của khối cầu màu là không có chuyển động quay so với mặt đất thì khi áp đặt lồng quay chuyển động dời chỗ theo lộ trình các đường cong khác nhau thì khối cầu màu luôn giữa được trạng thài không quay so với mặt đất của nó, đây là quán tính chuyển động quay tròn của vật thể, và có thể thay hình dáng bên ngoài của lồng cầu thủy tinh không màu bằng khối lập thể thủy tinh với lồng cầu bên trong chứa khối cầu màu, với mục đích để sự chuyển động quay của khối cầu màu bên trong khối lập phương so với thân khối lập phương dễ nhận ra hơn, và khối cầu màu cần được đánh vài dấu để dễ nhận biết khi khối cầu màu bên trong có sự chuyển động so với khối lập phương có lồng cầu chứa khối cầu màu. 2. Định luật tính bảo toàn trạng thái phương và vận tốc góc quay quỹ đạo của hệ quay và tính không bảo toàn khoảng cách của vật thể/hạt đến tâm hệ quay với hệ quay chứa vật thể/hạt có chuyển động quỹ đạo kín sẵn có khi hệ này chịu sự áp đặt chuyển động theo một lộ trình cong với độ cong thay đổi hay với vận tốc chuyển động dời chỗ thay đổi: (Hay còn gọi là định luật quán tính trạng thái phương và vận tốc góc chuyển động quỹ đạo kín của vật thể/hạt quanh tâm của hệ quay, và tính không bảo toàn khoảng cách của vật thể/hạt trên quỹ đạo của nó đến tâm hệ quay khi hệ quay chịu áp đặt chuyển động cong với độ cong thay đổi hay với lộ trình chuyển động dời chỗ thay đổi). Chú thích: Chuyển động quỹ đạo kín của một vật thể/hạt là chuyển động quỹ đạo của vật thể/hạt đó mà quỹ đạo của nó có dạng chuyển động quỹ đạo quay quanh một tâm một cách tuần hoàn, có ngĩa là vật thể/hạt có thể quay quanh tâm quỹ đạo của nó theo dạng tròn, dạng elip đối xứng hay dạng elip bất đối xứng hay các dạng khác mà trong đó vật thể/hạt chuyển động theo quỹ đạo quanh một trục quay với phương của trục quay này không thay đổi hoặc phương của trục quay này có sự thay đổi một cách tuần hoàn, đồng thời chuyển động quỹ đạo của vật thể/hạt không có sự thoát đi ra khỏi quỹ đạo của nó. Định luật này với phần tính không bảo toàn khoảng cách của hạt có chuyển động quỹ đạo quanh tâm của hệ quay có ý nghĩa trong việc xét đến vị trí bức xạ thoát ra từ bề nguyên tử khi nguyên tử bị áp đặt chuyển động cong với độ cong thay đổi hay với vận tốc chuyển động dời chỗ theo đường cong với độ cong không thay đổ. “Trạng thái chuyển động quay quỹ đạo kín sẵn có ban đầu của hệ quay với chuyển động quay của hệ được tạo bởi chuyển động quay quỹ đạo của vật thể/hạt quanh tâm của hệ, với trạng thái chuyển động qũy đạo kín này bao gồm trạng thái vận tốc góc của chuyển động quỹ đạo, trạng thái phương của trục quay quỹ đạo kín của vật thể/hạt luôn được bảo toàn khi vật thể có chuyển động quỹ đạo kín đó bị áp đặt chuyển động dời chỗ theo mọi lộ trình với mọi độ cong khác nhau khác nhau với theo mọi phương chiều và mọi vận tốc chuyển động dời chỗ khác nhau; tuy nhiên dạng quỹ đạo chuyển động của vật thể/hạt quanh tâm của hệ quay không được bảo toàn, tức khoảng cách của vật thể/hạt trên quỹ đạo của nó đến tâm của hệ quay không bảo toàn khi hệ quay chịu áp đặt chuyển động với lộ trình có sự thay đổi độ cong, hoặc thay đổi phương, hoặc thay đổi chiều, hoặc thay đổi vận tốc chuyển động dời chỗ ”. Chú giải: Trường hợp này có thể hình dung hệ quay là một tạ quay căng trên một sợi dây không có độ đàn hồi hoặc có độ đàn hồi và tạ chuyển động quỹ đạo tròn hoặc elip quanh tâm là giá đỡ là một trục quay giữ dây nối với tạ, và hệ này chịu áp đặt chuyển Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 3 động dời chỗ bằng cách dời chỗ giá đở là trục giữ dây của hệ, và chuyển động dời chỗ áp đặt này có thể theo một lộ trình là một đường cong với độ cong thay đổi hay theo một lộ trình là một đường thẳng hoặc lộ trình là một đường gấp khúc. Để vắn tắt trong một số phần của những phần sau có thể xem trường hợp một hệ quay có các phần tử có chuyển động quỹ đạo kín tương đương như là một vật thể có chuyển động quay quanh tâm của chính nó khi cả hệ này chịu áp đặt chuyển động dời chỗ khi xét phương quay ( có thể là phương ưu thế)hoặc vận tốc góc của hệ quay. Chẳng hạn như hệ quay là một nguyên tử với các electron có chuyển động quỹ đạo kín quanh hạt nhân của nguyên tử thì chuyển động quỹ đạo của electron quanh hạt nhân nguyên tử vẫn bảo toàn vận tốc góc quay của electron quanh hạt nhân trên một đơn vị thời gian và bảo toàn phương quay ưu thế electron quanh hạt nhân khi nguyên tử chịu áp đặt chuyển động dời chỗ, nhưng khoảng cách của electron đến tâm hạt nhân nguyên tử không được bảo toàn khi nguyên tử bị áp đặt chuyển động cong với độ cong thay đổi hay có sự thay đổi vận tốc trên lộ trìn cong với độ cong không thay đổi, trong trường hợp này nếu chỉ xét đến phương quay ưu thế của hệ và vận tốc góc của hệ thì có thể hình dung electron như một khối cầu màu nằm trong lồng cầu thủy tinh như trường hợp chú giải của Định luật 1 nêu trên với chuyển động quỹ đạo của các electron lớp ngoài chuyển động quỹ đạo quét tạo nên dạng mặt cầu cho khối cầu mguyên tử; còn khi xét đến dạng quỹ đạo tức xét đến khoảng cách từ electron đến hạt nhân nguyên tử khi nguyên tử chịu sự áp đặt chuyển động dời chỗ với độ cong thay đổi hay chịu áp đặt chuyển động dời chỗ với vận tốc thay đổi trên đường cong chuyển động dời chỗ có độ cong không thay đổi thì khoảng cách electron đến hạt nhân sẽ không được bảo toàn trong quá trình nguyên tử chịu áp đặt chuyển động dời chỗ này. 3. Định luật về sự thay đổi trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) của một vật thể khi vật thể chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình có sự thay đổi độ cong hoặc có sự thay đổi vận tốc chuyển động dời chỗ trên lộ trình cong với độ cong không đổi, với sự thay đổi trạng thái quay quanh tâm này được nhận biết sự thay đổi vận tốc góc, phương, chiều quay quanh tâm đối với đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể ở mỗi thời điểm: (Hay định luật về sự thay đổi trạng thái quay quanh tâm (của chính vật thể) của vật thể thành phần so với thân vật thể chứa vật thể thành phần khi vật thể chứa vật thể thành phần chịu áp đặt chuyển động dời chỗ theo lộ trình cong, và vật thể chứa vật thể thành phần không có chuyển động quay). Chú giải: Vật thể có chuyển động theo lộ trình cong và không có chuyển động quay quanh tâm của chính nó là vật thể mà khi nó bi áp đặt chuyển động theo lộ trình cong thì một đường thẳng được nối bởi hai điểm trên hai biên có vị trí gần nhất và xa nhất đến tâm đường cong và qua tâm của vật thể vẫn luôn giữ được sự thẳng hàng (để đon giản có thể hình dung vật thể có dạng hình khối cầu. Trường hợp vật thể chứa vật thể thành phần có thể hình dung một quả cầu màu được đặt trong vật thể chứa và vật thể chứa là lồng cầu thủy tinh không màu như trong phần chú giải của định luật 1, hoặc chẳng hạn cũng tương tự theo chú giải của định luật 1, với các vật thể thành phần là các nguyên tử và mỗi một nguyên tử được xem là một vật thể thành phần có dạng hình cầu, và chúng có khả năng chuyển động quay quanh tâm của chính chúng một cách tự do nhờ chúng Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 4 nằm trong các “lồng” có dạng hình cầu chứa vừa vặn chúng và các “lồng” có dạng hình cầu này giữ phương của chúng theo phương của thân vật thể. “Khi áp đặt một hệ không có chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính hệ) và hệ có chứa vật thể thành phần có khả năng chuyển động quay tự do quanh tâm (tâm của chính vật thể thành phần) thay đổi độ cong của lộ trình chuyển động dời chỗ hoặc thay đổi vận tốc chuyển động dời chỗ trên lộ trình đường cong có độ cong không đổi của hệ (như hệ là xe chạy trên mặt đất theo mặt cong của trái đất có độ cong không đổi, và khi xe chạy qua cầu thì độ cong lộ trình chuyển động của xe thay đổi, và trên xe có một quả cầu lớn và nặng, và quả cầu này có thể quay quanh tâm của chính nó một cách tự do bởi giá đở có dạng lồng cầu với giữa khe của lồng cầu và bề mặt bề mặt của khối cầu là các viên bi nhỏ giúp cho khối cầu có thể chuyển động quay tự do và lồng cầu được gắn cố định vào thân xe) thì trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể thành phần) của vật thể thành phần bao gồm mặt phẳng xích đạo chuyển động quay tròn, chiều chuyển động quay quanh tâm và vận tốc chuyển động quay quanh tâm sẵn có của vật thể sẽ thay đổi so thân vật thể chứa vật thể thành phần. Hay nói cách khác, khi một vật thể có khả năng quay tự do quanh tâm (tâm của chính vật thể) chịu áp đặt chuyển động dời chỗ theo một lộ trình có sự thay đổi độ cong hoặc có sự thay đổi vận tốc chuyển động dời chỗ thì trạng ít nhất một trong ba trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) bao gồm phương mặt phẳng xích đạo chuyển động quay, chiều chuyển động quay và vận tốc chuyển động quay sẵn có của vật thể sẽ thay đổi so đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể”. (Để dễ hình dung, thay vì so với đường cong lộ trình chuyển động dời chỗ của vật thể tại điểm đang xét thì có thể so với khung hình lập phương mang tính hình dung với khung lập thể này không có chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính khung lập phương chứa vật thể), với khung lập phương bằng thủy tinh bên trong có dạng lồng cầu và lồng cầu này chứa vừa vặn một vật thể có dạng hình cầu và có lớp chất lỏng bôi trơn ở giữa lồng cầu và vật thể hình cầu để vật thể hình cầu có được chuyển động quay tự do trong lồng cầu đó, và khung lập phương này luôn luôn co hai mặt song song với mặt phẳng tạo bởi đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể tại điểm xét, hai mặt song song với tiếp tuyến đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể tại điểm xét, và hai mặt còn lại thì song song với đường nối tâm vật thể và tâm đường cong lộ trình chuyển động dời chỗ của vật thể tại điểm xét). Ghi chú cho các phần tiếp sau: Do để tránh bớt sự quá dài bởi việc liệt kê một cách đầy đủ các trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật) như chuyển động quay của khối cầu so với khung lồng hình dung hình lập thể chứa vật hình cầu (với khung lồng này không có chuyển động quay quanh tâm của chính nó như đã được nêu trong phần chú giải ở Định luật 1) khi khung chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình cong thì sẽ phát sinh chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính khối cầu) so với khung lập thể, và chuyển động quay phát sinh thêm này của khối cầu có thể nhận ra nhờ có sự thay đổi vận tốc góc quay của khối cầu so với một cạnh của khung lập thể, do đó có thể chọn một cạnh của khung lập thể như cạnh song song với tiếp tuyến đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể, và cũng có thể chọn chính đường cong chuyển động của vật thể tại thời điểm xét để nhận biết sự thay đổi chuyển động quay của vật thể khi vật thể chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình cong, và các phần bên dưới thay vì dùng khung hình lập thể hình dung chứa khối cầu thì sẽ dùng cụm từ “đường chỉ phương chiều chuyển động dời chổ” theo đường cong của vật thể để thay thế khung lập thể nhằm nhận ra sự thay đổi trạng thái chuyển động quay của vật thể khi vật thể chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình cong, vì đường cong chỉ phương chiều đã hàm ý phương của khung lập thể hình dung trong đó bao gồm phương của hai mặt phẳng xa và gần tâm lộ trình chuyển động cong của vật thể Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 5 thì song song với tiếp tuyến lộ trình chuyển động cong của vật thể, hai mặt trước và sau lộ trình chuyển động thì theo phương gần vuông góc của đường nối tâm vật thể với tâm đường cong lộ trình cong chuyển động dời chỗ của vật thể, và hai mặt bên thì song song với mặt phẳng tạo bởi đường cong chuyển động dời chỗ của vật thể, và vật thể khối cầu đề cập có thể là một thiên thể, một thiên thạch, một vật thể mà hình dạng nó không nhất thiết phải là dạng cầu, hoặc có thể là một nguyên tử hay một hạt cơ bản. 4. Định luật trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) không đổi của vật thể so với đường chỉ phương chiều chuyển dời chỗ của vật thể khi vật thể chịu áp đặt chuyển động theo đường lộ trình là một đường thẳng hình học so với mặt cong của mặt đất (hay song song với bề mặt thiên thể hấp dẫn): Ghi chú: Có thể hình dung vật thể có chuyển động quay tự do như quả cầu trong khung lập thể đã được nêu ở phần chú giải của Định luật 1, và khung lập thể có chứa quả cầu bên trong này được gắn trên một chiếc xe chạy trên mặt đường. Trong trường hợp này xem vật thể là quả cầu chịu áp đặt chuyển động dời chỗ một đoạn ngắn trên bề mặt thiên thể hấp dẫn như chuyển động dời chỗ một đoạn ngắn trên mặt đất, và không xem chuyển động dời chỗ của vật thể trên đoạn ngắn này là đường cong của bề mặt trái đất mà xem lộ trình này như là chuyển động theo một đường thẳng hình học, định luật này chỉ mang tính khái niệm nhằm nhận ra vật thể chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình là đường thẳng hình học thì hiệu ứng quay so với đường chỉ phương chiều chuyển động dời chỗ của vật thể không xảy ra; nhưng thực tế do độ cong của bề mặt thiên thể như độ cong của bề mặt đất là tồn tại nên thực tế khi áp đặt vật thể chuyển động thay đổi vận tốc chuyển động dời chỗ theo độ cong của mặt đất thì vật thể nếu có khả năng chuyển động quay tự do thì sẽ có sự phát sinh chuyển động quay của vật thể so với mặt đất, với khi vật thể gia tốc dương thì vật thể này sẽ có chiều quay ngược với chiều quay mà vật thể gia tốc và ngược lại khi vật thể gia tốc âm thì vật thể này sẽ có chiều quay cùng với chiều quay mà vật thể gia tốc, điều này giải thích được vì sao một vật thể như chiếc bánh xe khi tăng vận tốc thì bị cuốn ngược về phía sau và ngược lại khi bánh xe giãm vận tốc thì bánh xe bị cuốn về phía trước ngay khi lực làm gia tốc bánh xe dương hay âm xuất phát một cách đối xứng từ trục quay của bánh xe. “Khi vật thể có khả năng quay tự do và chịu áp đặt chuyển động dời chỗ theo đường thẳng hình học với vận tốc chuyển động dời chỗ này không đổi hay có sự thay đổi vận tốc thì trạng thái chuyển động quay tròn của vật thể so với đường chỉ phương chiều chuyển động dời chỗ của vật thể sẽ không có sự thay đổi”. 5. Định luật về trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) phát sinh thêm giữa vật thể và đường chỉ phương chiều chuyển động dời chỗ của vật thể khi vật thể chịu áp đặt chuyển động dời chỗ với vận tốc chuyển động dời chỗ không đổi và có chuyển động dời chỗ từ lộ trình theo đường thẳng sang lộ trình theo đường cong: (Hay định luật quán tính chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) của vật thể tạo nên trạng thái chuyển động quay quanh tâm phát sinh thêm giữa vật thể với đường chỉ phương chiều chuyển động dời chỗ của vật thể khi vật thể này chịu áp đặt chuyển động Những định luật vật lý cơ bản của cơ học, cơ học lượng tử và cơ học thiên văn Tác giả: Huỳnh Công Nhân, ngày 16 tháng 03, năm 2010 Trang 6 dời chỗ với vận tốc chuyển động dời chỗ không đổi và có chuyển động dời chỗ từ dạng lộ trình theo đường thẳng chuyển sang dạng lộ trình theo đường cong): “Khi vật thể có khả năng quay tự do có chuyển động dời chỗ với vận tốc chuyển động dời chỗ không đổi và có sự thay đổi từ lộ trình chuyển động dời chỗ từ lộ trình theo đường thẳng chuyển sang lộ trình theo lộ trình cong thì sẽ phát sinh một trạng thái chuyển động quay quanh tâm (tâm của chính vật thể) của vật thể so với đường chỉ phương chiều chuyển động dời chỗ của vật thể trước trong quá trình vật thể chịu áp đặt chuyển động theo lộ trình chuyển động dời chỗ có sự thay đổi độ cong, với chuyển động quay quanh tâm phát sinh thêm này có mặt phẳng xích đạo của nó trùng với mặt phẳng tạo bởi lộ trình chuyển động dời chỗ theo đường cong của vật thể, và chuyển động quay quanh tâm phát sinh thêm này có chiều chuyển động quay quanh tâm ngược với chiều mà vật thể bị áp đặt chuyển động dời chỗ theo đường cong, và vận tốc góc của chuyển động quay quanh tâm phát sinh thêm này bằng với vận tốc góc tạo bởi sự quét cung đường cong của chuyển động dời chỗ theo lộ trì