1. Định nghĩa lực ma sát
Lực ma sát là lực cản tác dụng giữa các bề mặt của các vật thể tiếp xúc với nhau. Trong chủ đề này, lực ma sát được nghiên cứu liên quan đến lực ma sát tác dụng giữa hai bề mặt vật rắn tiếp xúc với nhau. Ví dụ như ma sát giữa chân dầm và mặt sàn, ma sát giữa đế giày và mặt sàn, ma sát giữa bánh xe ô tô và mặt đường.
Lực ma sát luôn tác dụng lên bề mặt của các vật rắn tiếp xúc với nhau, ngay cả khi các vật đó rất nhẵn. Ngay cả những bề mặt nhẵn cũng thực chất rất gồ ghề ở cấp độ vi mô. Khi một vật chuyển động, những gờ nhỏ này cản trở chuyển động. Ở cấp độ nguyên tử, một phần nhô ra trên bề mặt khiến các nguyên tử ở rất gần các bề mặt khác, do đó lực điện giữa các nguyên tử có thể tạo thành liên kết hóa học, như một sự liên kết giữa hai bề mặt của một vật chuyển động. Khi một vật chuyển động, ví dụ như khi bạn đẩy một cuốn sách trên mặt bàn, chuyển động của cuốn sách gặp phải chướng ngại vật và cuối cùng dừng lại. Điều này là do sự hình thành và phá vỡ liên kết.
Nếu bề mặt của một vật cọ xát với bề mặt của một vật khác, mỗi vật sẽ chịu lực ma sát lẫn nhau. Lực ma sát tác dụng lên vật chuyển động luôn ngược chiều với chiều chuyển động của vật. Ngoài việc cản trở chuyển động của các vật, ma sát còn có thể gây mài mòn và hư hỏng. Chúng ta có thể quan sát điều này trên động cơ xe. Ví dụ, khi chúng ta cung cấp dầu bôi trơn cho động cơ xe máy, mục đích chính là giảm lực ma sát xảy ra bên trong động cơ. Nếu không được cung cấp dầu bôi trơn, động cơ xe sẽ nhanh chóng bị hư hỏng. Ví dụ này là một trong những tổn thất do ma sát gây ra.
2. Các loại lực ma sát
Có hai loại lực ma sát, đó là lực ma sát tĩnh (f<sub> s</sub> ) và lực ma sát động (f<sub> k</sub> ). Lực ma sát tĩnh tác dụng khi vật đứng yên, trong khi lực ma sát động tác dụng khi vật đang chuyển động. Nếu bạn đẩy một cái bàn, nhưng cái bàn không di chuyển, thì lực ma sát tác dụng lên cái bàn đang đứng yên là lực ma sát tĩnh. Ngược lại, khi cái bàn đang chuyển động, lực ma sát tác dụng lên cái bàn là lực ma sát động. Nếu không liên tục đẩy cái bàn đang chuyển động, cái bàn sẽ dừng lại sau một thời gian. Cái bàn dừng lại là do lực ma sát động cản trở sự chuyển động của nó.
Bạn đã bao giờ bị trượt ngã khi bước lên bề mặt trơn nhẵn chưa? Khi bạn trượt ngã, lực ma sát tác dụng giữa đế giày hoặc đế dép với bề mặt trơn nhẵn là ma sát động. Vấn đề này tương tự như khi xe máy hoặc ô tô di chuyển trên mặt đường ướt và trơn, phanh lại cho đến khi bánh xe trượt. Khi bánh xe trượt, lực ma sát tác dụng lên bề mặt bánh xe và mặt đường là lực ma sát động. Ngược lại, khi bạn đi bộ, lực ma sát tác dụng giữa đế giày hoặc đế dép với mặt sàn là lực ma sát tĩnh. Tương tự, khi bánh xe không trượt, lực ma sát tác dụng lên bề mặt bánh xe và mặt đường là ma sát tĩnh.
2.1 Lực ma sát tĩnh
Lực ma sát tĩnh là lực ma sát tác dụng lên bề mặt của các vật thể tiếp xúc với nhau khi các vật thể đó chưa chuyển động.
Hình 1 cho thấy một vật thể đang nằm yên trên bề mặt phẳng. Nếu vật thể chưa di chuyển, thì lực ma sát tĩnh (fs) nhỏ hơn lực kéo (F). Nếu tiếp tục kéo, vật thể sẽ di chuyển. Khi vật thể di chuyển, độ lớn của lực ma sát tĩnh (f) sẽ tăng lên.s) bằng độ lớn của lực kéo (F).
Định luật thứ nhất của Newton phát biểu rằng vật ở trạng thái nghỉ nếu tổng lực tác dụng lên chúng (lực tổng hợp) bằng không.
ΣF y = 0 (Vật thể đứng yên và không chuyển động theo phương thẳng đứng)
N – w = 0
N = w (1.2)
Thay N trong phương trình 1.1 bằng N trong phương trình 1.2.
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = lực ma sát tĩnh (N), μs = hệ số ma sát tĩnh, N = lực pháp tuyến (N), w = gia tốc trọng trường (N), m = khối lượng (kg), g = gia tốc trọng trường (m/ s² )
Nếu bạn muốn xác định hệ số ma sát tĩnh, hãy sử dụng phương trình 1.1 b
Σf x = 0 (Vật thể đứng yên và không chuyển động theo phương ngang)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Khi vật bắt đầu chuyển động, lực ma sát tĩnh cực đại bằng với độ lớn của lực đẩy hoặc lực kéo.
2.2 Lực ma sát động
Lực ma sát động là lực ma sát tác dụng lên bề mặt của các vật thể tiếp xúc với nhau khi vật thể đang chuyển động.
Nếu bạn muốn xác định hệ số ma sát động (μk ) , hãy sử dụng phương trình 1.5b.
Hình 2 cho thấy một vật được kéo đều đặn sao cho vật chuyển động với tốc độ không đổi. Khi chuyển động với tốc độ không đổi, độ lớn của lực ma sát động (fk) bằng độ lớn của lực kéo (F).
Định luật thứ nhất của Newton phát biểu rằng một vật chuyển động với vận tốc không đổi nếu tổng lực tác dụng lên nó (lực tổng hợp) bằng không.
ΣF x = 0 (các vật thể chuyển động với vận tốc không đổi theo phương ngang)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Bài toán ví dụ 1:
Một học sinh dùng máy đo lực (dynamometer) kéo một thanh có khối lượng 1 kg đặt trên mặt bàn. Khi thanh bắt đầu chuyển động, máy đo lực hiển thị giá trị 2 N. Nếu gia tốc trọng trường = 10 m/s² , hãy xác định (a) độ lớn của lực ma sát tĩnh (b) hệ số ma sát tĩnh.
Giải pháp:
Đã biết : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Khi thanh dầm chuyển động, độ lớn của lực ma sát tĩnh bằng độ lớn của lực kéo (so sánh phương trình 1.4). Vì vậy, f s = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ s )(10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Bài toán ví dụ 2:
Một thanh có khối lượng 1 kg đặt phía trên mặt bàn được kéo đều đặn sao cho thanh chuyển động với tốc độ không đổi. Khi thanh chuyển động với tốc độ không đổi, máy đo lực hiển thị số 1 N. Nếu gia tốc trọng trường = 10 m/s² , hãy xác định (a) độ lớn của lực ma sát động (b) hệ số ma sát động
Giải pháp:
Đã biết: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Khi thanh chuyển động đều hoặc chuyển động với tốc độ không đổi, độ lớn của lực ma sát động bằng độ lớn của lực kéo (so sánh với phương trình 1.6).
Vậy f k = F = 1 N
(b) μ k
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
