Lực ma sát là gì? Phân loại lực ma sát? Ứng dụng của lực ma sát trong đời sống? Tác hại của lực ma sát? Làm như nào để giảm lực ma sát?
Nếu không có lực ma sát, con người chúng ta không thể đứng yên trên mặt đất hay các phương tiện di chuyển không thể dừng lại,…Vậy lực ma sát là gì? Có bao nhiêu loại lực ma sát? Lực ma sát đóng vai trò gì trong đời sống?.
1. Lực ma sát là gì?
Ma sát trong vật lý được khái niệm là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt. Nói một cách khác, lực ma sát là lực cản trở chuyển động của một vật, tạo ra bởi những vật tiếp xúc với nó.
Lực ma sát sẽ làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt chuyển hóa thành dạng năng lượng khác. Quá trình chuyển hóa năng lượng đó thường xảy ra do sự va chạm giữa các phân tử của hai hay nhiều bề mặt và gây ra các chuyển động thế năng hoặc nhiệt năng trong biến dạng của các chuyển động electron và được tích luỹ thành một phần quang năng hoặc điện năng. Tùy vào trường hợp nhưng đa số động năng sẽ chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
Xét theo bản chất vật lý, lực ma sát giữa các vật thể thực tế trong cuộc sống là lực điện từ, đây là lực cơ bản giữa các nguyên tử hay phân tử trong tự nhiên.
2. Phân loại lực ma sát:
2.1. Lực ma sát trượt:
– Khái niệm: Lực ma sát trượt là một loại lực ma sát được sinh ra khi có một vật chuyển động trượt trên một về mặt của vật khác và gây cản trở chuyển động của vật đó.
– Đặc điểm:
+ Lực xuất hiện tại mặt tiếp xúc của các vật đang trượt trên nhau hoặc một bề mặt khác.
+ Phương: Song song so với bề mặt mà vật tiếp xúc.
+ Chiều: Ngược chiều động tương đối so với bề mặt tiếp xúc.
+ Độ lớn của lực ma sát tỉ lệ với độ lớn của áp lực.
– Độ lớn của lực ma sát trượt không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ di chuyển của vật mà sẽ phụ thuộc vào tính chất vật liệu và tình trạng của 2 bề mặt tiếp xúc.
– Công thức tính lực ma sát:
Fmst = t.N.
Trong đó:
+ Fmst : Ký hiệu độ lớn của lực ma sát trượt (N).
+ t: Hệ số ma sát trượt.
+ N: Phản lực hay độ lớn áp lực lên mặt tiếp xúc (N).
Hệ số ma sát trượt:
t = Fmst.N
Đây là hệ số tỷ lệ giữa độ lớn của lực ma sát trượt và độ lớn của áp lực, hệ số t phụ thuộc vào tình trạng và vật liệu cấu thành hai mặt tiếp xúc.
– Vai trò của ma sát trượt:
+ Khi chúng ta hãm phanh (thắng) thì bộ phận hãm (thắng) sẽ được áp sát vào bề mặt bánh xe đang chuyển động. Lực ma sát sinh ra giữa má phanh và bánh xe làm cho quay chậm lại, cản trở bớt sự quay của bánh xe và dừng lại khi đang đi trên đường.
+ Khi đưa gỗ hay kim loại cứng vào máy mài, nó chuyển động rất nhanh, gây ra ma sát với vật được tiếp xúc và chính lực ma sát này giúp bào mòn bề mặt các vật làm cho bề mặt vật trở nên nhẵn hơn.
+ Đàn violon khi cọ xát cần kéo trên dây đàn thì giữa chúng xuất hiện lực ma sát trượt làm dây đàn dao động và phát ra âm thanh.
– Tác hại của ma sát trượt: Làm cản trở chuyển động, làm mòn các chi tiết máy.
2.2. Lực ma sát nghỉ:
– Khái niệm: Ma sát nghỉ hay còn gọi là ma sát tĩnh là lực xuất hiện khi vật nằm yên trên bề mặt vật khác. Khi ta tác dụng vào vật một lực song song với bề mặt tiếp xúc mà vật chưa di chuyển, thì mặt tiếp xúc đã tác dụng lên vật đó một lực ma sát nghỉ cân bằng với ngoại lực.
– Đặc điểm:
+ Điểm đặt: sát với bề mặt tiếp xúc.
+ Phương: song song với bề mặt tiếp xúc.
+ Chiều: trượt ngược với chiều chuyển động tương đối khi so sánh với bề mặt tiếp xúc.
+ Lực ma sát nghỉ có độ lớn bằng độ lớn của lực tác dụng lên vật.
– Độ lớn của ma sát nghỉ: Cường độ (độ lớn) thay đổi tùy theo lực tác dụng lên vật có xu hướng làm cho vật thay đổi chuyển động.
– Công thức: Fmsn max = Fmst.
Lực ma sát nghỉ cực đại xấp xỉ bằng với lực ma sát trượt. Chính vì thế nên chúng ta có thể sử dụng công thức tính lực ma sát trượt để tính lực ma sát nghỉ cực đại (max).
– Chú ý:
+ Nếu vật đứng yên mà chịu tác dụng của các lực cân bằng thì không xuất hiện lực ma sát nghỉ.
+ Nếu vật đứng yên mà chịu tác dụng của các lực không cân bằng thì lúc này có lực ma sát nghỉ.
– Vai trò của ma sát nghỉ:
+ Nhờ có ma sát nghỉ nên chúng ta có thể cầm phấn, bút trên tay để viết.
+ Khi có ma sát nghỉ nên bulong và đai ốc siết chặt vào với nhau, đinh được gắn trên tường,..
2.3. Lực ma sát lăn:
– Khái niệm: Lực ma sát lăn là lực cản trở chuyển động lăn của các vật có hình tròn, có độ lớn lực ma sát lăn nhỏ hơn các lực ma sát động khác. Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt của vật khác.
– Đặc điểm: Lực ma sát lăn có đặc điểm giống như ma sát trượt.
+ Điểm: Đặt lên vật sát bề mặt tiếp xúc.
+ Phương: Song song với bề mặt tiếp xúc.
+ Chiều: Ngược chiều với chiều chuyển động tương đối so với bề mặ tiếp xúc.
– Hệ số ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều lần so với hệ số ma sát trượt.
– Vai trò:
+ Sử dụng con lăn để di chuyển thùng hàng.
+ Chế tạo ổ bi, ổ trục giúp giảm thiểu sự mài mòn của trục bánh xe.
2.4. Ma sát nhớt:
– Khái niệm: Lực nội ma sát của chất lỏng là lực cản trở giữa các lớp chuyển động của chất lỏng, hay còn được gọi là lực nhớt. Khi chất lỏng càng nhớt thì lại càng đặc.
– Lực ma sát nhớt không chỉ xuất hiện do sự cọ xát, tạo ra lực ma sát có phương trùng với tiếp tuyến của bề mặt tiếp xúc giống như lực ma sát trượt mà nó còn xuất hiện khi có lực vuông góc với bề mặt tiếp xúc. Lực này góp một phần đáng kể tạo nên ma sát nhớt.
3. Ứng dụng của lực ma sát trong đời sống:
– Lực ma sát giúp cho các phương tiện đang di chuyển ở những nơi trơn, khúc cua, dốc không bị trượt bánh.
– Giúp cho con người và vật thể đứng yên trên mặt đất.
– Dễ dàng cầm nắm một vật nào đó như bút, quả cam, cây gậy,..
– Lực ma sát còn được sử dụng để làm thay đổi hình dạng của các bề mặt như: sơn mài, đánh bóng, mài gương,..
– Các phanh xe đạp, máy, ô tô cũng là những ứng dụng của lực ma sát trượt hay lực ma sát lăn.
– Thời xưa, nhiệt năng của lực ma sát được ứng dụng làm công cụ đánh lửa, tạo ra diêm, hộp quẹt,..
4. Tác hại của lực ma sát:
– Lực ma sát làm mòn các bề vật. Chẳng hạn như ma sát trượt giữa trục quay và bánh xe làm mòn trục hay ma sát trượt giữa xích và đĩa xe làm mòn đĩa xe.
– Ma sát trượt cản trở chuyển động của các vật. Ví dụ như ma sát trượt làm cản trở chuyển động của thùng đồ nên khó di chuyển những thùng đồ đó.
– Lực ma sát sinh ra nhiệt giữa hai bề mặt, dễ gây cháy và biến dạng bề mặt của vật.
5. Làm như nào để giảm lực ma sát?
– Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn để giúp di chuyển đồ vật dễ hơn hoặc giúp giảm khả năng cho trục xe bị bào mòn.
– Làm giảm ma sát tĩnh. Chẳng hạn như khi đoàn tàu hòa khỏi động, lúc này đầu tàu thường sẽ bị giật lùi, điều này sẽ giúp cho đầu tàu kéo từng toa và chỉ cần chống lại lực ma sát tĩnh ở từng toa mà không phải là lực ma sát tĩnh của cả đoàn tàu.
– Thay đổ bề mặt: Thay đổi bề mặt cũng góp phần làm giảm ma sát. Trong thực tế, người ta dùng các chất bôi trơn (bột than chì, dầu mỡ,…) giữa những bề mặt rắn. Việc này sẽ giúp làm giảm hệ số ma sát giữa các bề mặt.