Lực ma sát là gì? Công thức tính lực ma sát chuẩn

Lực ma sát là gì?

Một ví dụ cơ bản về lực ma sát mà các bạn có thể nhận thấy là khi kéo hoặc đẩy một thùng gỗ trên sàn nhà, sự tiếp xúc giữa mặt đáy của thùng gỗ và mặt sàn sẽ sinh ra một lực cản lại chuyển động, đó chính là lực ma sát.

→ Khái niệm lực ma sát

Lực ma sát (Fms) là lực cản, xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc của hai vật thể, có tác dụng chống lại xu hướng chuyển động tương đối giữa chúng.

Lực này được sinh ra bởi tương tác giữa các phân tử tại bề mặt tiếp xúc (lực hút phân tử) và sự lồi lõm, gồ ghề của hai bề mặt. Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: bản chất (độ nhám) của các bề mặt tiếp xúc và lực ép (áp lực) vuông góc giữa hai vật thể đó.

→ Công thức tính lực ma sát (trượt)

Khi một vật trượt trên một bề mặt khác, độ lớn của lực ma sát trượt (Fmst) có thể được tính toán bằng công thức sau:

Trong đó:

• Fmst: Là độ lớn của lực ma sát trượt (đơn vị: Newton, N).
• µt (đọc là "muy"): Là hệ số ma sát trượt. Đây là một giá trị không có đơn vị, phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai bề mặt tiếp xúc (ví dụ: gỗ trên gỗ, thép trên thép, có bôi trơn hay không).
• N: Là độ lớn của áp lực (hay phản lực pháp tuyến), tức là lực ép vuông góc giữa hai bề mặt (đơn vị: Newton, N). Trên một mặt phẳng nằm ngang, N thường bằng với trọng lượng của vật (N = P = m × g).

02 dữ kiện thực nghiệm cơ bản về lực ma sát trượt

Thí nghiệm thực tế cho thấy hai điều quan trọng về lực ma sát trượt:

1. Độ lớn lực ma sát trượt gần như không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc. Ví dụ, nếu kéo một viên gạch trượt trên mặt bàn, lực ma sát khi viên gạch nằm phẳng hay khi nó đứng yên (diện tích tiếp xúc nhỏ hơn) là gần như bằng nhau.
2. Độ lớn lực ma sát trượt tỷ lệ thuận với áp lực (N) ép các bề mặt lại với nhau. Ví dụ, nếu kéo một khối 3 viên gạch (tải trọng L gấp 3) thì lực ma sát (F) cũng sẽ lớn gấp 3 lần so với khi kéo một viên gạch.

Hệ số ma sát trong toán học

Từ dữ kiện thứ hai, ta có tỷ số giữa lực ma sát (Fms) và áp lực (N, hay tải trọng L) là một hằng số. Hằng số đó chính là hệ số ma sát (ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp µ - mu).

Vì cả Fms và N đều được tính bằng đơn vị lực (Newton), nên hệ số ma sát µ là một đại lượng không có thứ nguyên.

Ví dụ, giá trị của hệ số ma sát trượt giữa gỗ sạch trượt trên gỗ sạch là khoảng 0.25 - 0.5. Nếu hệ số là 0.5, điều đó có nghĩa là anh em cần phải đặt một lực kéo ngang bằng một nửa trọng lượng của vật để kéo nó chuyển động với tốc độ không đổi.

→ Ứng dụng lực ma sát trong cuộc sống

Lực ma sát có mặt ở khắp mọi nơi và có cả lợi và hại. Nó được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống:

• Giữ cố định vật thể: Lực ma sát nghỉ giúp các vật thể đứng yên. Đinh được đóng chắc chắn trên tường, ốc vít siết chặt các chi tiết, hay tay ta có thể cầm nắm các vật thể... tất cả đều nhờ vào lực ma sát nghỉ.
• Chuyển động: Lực ma sát nghỉ giữa chân và mặt đất giúp chúng ta đi lại (đẩy đất về phía sau). Lực ma sát nghỉ giữa lốp xe và mặt đường giúp xe có thể tăng tốc và di chuyển.
• Hãm phanh: Lực ma sát trượt giữa má phanh và đĩa phanh là nguyên lý chính của các hệ thống phanh xe.
• Ứng dụng khác: Ma sát được ứng dụng trong nghệ thuật sơn mài, đánh bóng sản phẩm, mài dao kéo, hay đơn giản là quẹt diêm...

Có bao nhiêu loại lực ma sát?

Ma sát là lực cản trở chuyển động tương đối giữa các bề mặt tiếp xúc. Đối với các vật thể rắn, lực ma sát được chia làm 3 loại chính: ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát nghỉ.

#1 Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt (Kinetic/Sliding Friction) là lực ma sát sinh ra khi một vật thể đang trượt trên bề mặt của một vật thể khác. Lực này có phương song song với bề mặt tiếp xúc và có chiều ngược với chiều chuyển động.

Độ lớn của lực ma sát trượt (Fmst) được tính bằng công thức đã nêu:

Trong đó µt là hệ số ma sát trượt. Lực ma sát trượt thường có độ lớn nhỏ hơn lực ma sát nghỉ cực đại.

Ví dụ về ma sát trượt:

• Kéo một cái hộp trên sàn nhà.
• Chà hai tay vào nhau sinh ra nhiệt (do công của lực ma sát trượt).
• Má phanh ép vào đĩa phanh khi xe đang chạy.
• Viết phấn lên bảng.

#2 Ma sát lăn

Lực ma sát lăn (Rolling Friction) là lực ma sát sinh ra khi một vật thể hình tròn (như bánh xe, viên bi, hình trụ) đang lăn trên một bề mặt. Lực này cũng có chiều ngược với chiều chuyển động.

Nguyên nhân chính của ma sát lăn là do sự biến dạng đàn hồi của cả vật lăn và bề mặt tại vùng tiếp xúc. Ví dụ, khi bánh xe lăn trên đường, bánh xe hơi bị nén lại và mặt đường hơi lõm vào. Quá trình biến dạng và phục hồi liên tục này gây ra sự mất mát năng lượng, tạo thành lực cản.

Đặc điểm quan trọng nhất: Lực ma sát lăn có độ lớn nhỏ hơn rất nhiều so với lực ma sát trượt. Đây chính là lý do con người phát minh ra bánh xe và vòng bi (bạc đạn).

Ví dụ về ma sát lăn:

• Một quả bóng rổ lăn trên sân và từ từ chậm lại rồi dừng lại.
• Lốp xe ô tô lăn trên mặt đường.
• Các viên bi bên trong ổ bi (bạc đạn) lăn trên rãnh bi.

#3 Ma sát nghỉ

Lực ma sát nghỉ (Static Friction) là lực ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt tiếp xúc khi chúng đứng yên tương đối so với nhau, và có tác dụng ngăn cản vật bắt đầu chuyển động.

Đặc điểm của lực ma sát nghỉ:

• Nó có chiều ngược với chiều của ngoại lực đang có xu hướng làm vật chuyển động.
• Độ lớn của nó thay đổi được, và luôn bằng với độ lớn của ngoại lực tác dụng (để giữ vật đứng yên).
• Nó có một giá trị cực đại (Fmsn(max)). Khi lực đẩy/kéo (F) tăng lên và vượt qua giá trị cực đại này, vật sẽ bắt đầu trượt.

Lực ma sát nghỉ cực đại được tính bằng công thức:

Trong đó µs là hệ số ma sát nghỉ (tĩnh). Luôn luôn có µs > µt (hệ số ma sát nghỉ lớn hơn hệ số ma sát trượt). Đó là lý do tại sao anh em cần một lực đẩy lớn hơn để làm vật bắt đầu chuyển động, nhưng khi nó đã trượt rồi thì chỉ cần một lực đẩy nhỏ hơn để duy trì chuyển động.

Ví dụ về ma sát nghỉ:

• Một cuốn sách nằm yên trên mặt bàn nghiêng.
• Khi chúng ta đi bộ, lực ma sát nghỉ giữa chân và mặt đường đẩy chúng ta tiến về phía trước.
• Một chiếc ô tô đậu trên dốc mà không bị trôi.

Làm cách nào để giảm lực ma sát (khi có hại)?

Trong nhiều ứng dụng máy móc, ma sát là có hại vì nó gây mài mòn, sinh nhiệt và lãng phí năng lượng. Các nhà kỹ thuật thường tìm cách để giảm ma sát. Dưới đây là 3 cách điển hình:

→ Dùng vật liệu bôi trơn

Cách thông thường và hiệu quả nhất để giảm ma sát trượt là sử dụng chất bôi trơn (như dầu nhớt, mỡ bò). Chất bôi trơn tạo ra một lớp màng mỏng ngăn cách hai bề mặt, khiến chúng trượt trên lớp chất lỏng thay vì trượt trực tiếp lên nhau, giúp giảm hao mòn và làm mát (thường thấy trong động cơ xe và máy móc).

→ Chuyển hóa ma sát trượt thành ma sát lăn

Đây là một phát minh vĩ đại. Thay vì để trục trượt trong lỗ, người ta sử dụng ổ bi (vòng bi, bạc đạn). Các viên bi hoặc con đũa sẽ lăn giữa trục và ổ, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn (vốn nhỏ hơn rất nhiều), giúp tăng hiệu quả và giảm hao mòn.

→ Tăng độ nhẵn bề mặt

Gia công, đánh bóng bề mặt tiếp xúc để làm chúng trở nên nhẵn mịn hơn cũng là một cách để giảm hệ số ma sát µ.

02 dạng bài tập lực ma sát dành cho sinh viên

#1 Tính lực ma sát, hệ số ma sát

Bài toán: Một chiếc xe tải có trọng lượng 3 tấn đang chuyển động thẳng đều trên đường nằm ngang. Tính lực kéo (lực phát động) của động cơ vào xe, biết hệ số ma sát lăn giữa bánh xe và mặt đường là µ = 0.08. (Lấy g = 9.8 m/s²).

Tóm tắt:

• Hệ số ma sát (lăn), µ = 0.08
• Khối lượng, m = 3 tấn = 3000 kg
• Gia tốc trọng trường, g = 9.8 m/s²

Giải:

Vì xe chuyển động trên đường nằm ngang nên áp lực N bằng đúng trọng lượng P của xe:

N = P = m × g = 3000 (kg) × 9.8 (m/s²) = 29400 (N)

Độ lớn của lực ma sát (lăn) tác dụng lên xe là:

Fms = µ × N = 0.08 × 29400 = 2352 (N)

Vì xe đang chuyển động thẳng đều, nên theo Định luật I Newton, tổng các lực tác dụng lên xe bằng 0. Lực phát động (Fpđ) của động cơ phải cân bằng với lực ma sát (Fms):

Fpđ = Fms = 2352 (N)

Đáp số: 2352 (N)

#2 Tính thời gian & quãng đường đi được

Bài toán: Một đoàn tàu lượn siêu tốc đang di chuyển với vận tốc 36 km/h thì phanh gấp, các bánh xe bị hãm cứng và chỉ trượt trên đường ray. Biết hệ số ma sát trượt giữa bánh xe và đường ray là µt = 0.2. Hỏi quãng đường đoàn tàu lượn đi được thêm kể từ khi phanh là bao nhiêu? (Lấy g = 10 m/s²).

Giải:

Đổi đơn vị: v₀ = 36 km/h = (36 * 1000) / 3600 = 10 m/s.

Khi tàu phanh và trượt, lực duy nhất cản trở chuyển động là lực ma sát trượt. Áp dụng Định luật II Newton (F = ma):

-Fmst = m × a

Mà Fmst = µt × N. Trên mặt phẳng ngang, N = P = m × g.

Do đó: -(µt × m × g) = m × a

Giản ước m ở hai vế, ta được gia tốc hãm: a = - µt × g

a = - 0.2 × 10 = -2 (m/s²)

Ta có công thức liên hệ giữa quãng đường, vận tốc và gia tốc (vì tàu dừng lại nên vận tốc cuối v = 0):

v² - v₀² = 2 × a × S

0² - (10)² = 2 × (-2) × S

-100 = -4 × S

S = (-100) / (-4) = 25 (m)

Đáp số: Quãng đường tàu đi được thêm là 25 mét.

XEM MUA SẢN PHẨM SẴN KHO - GIAO NHANH TRONG 2H

Tham khảo thêm tại Mecsu

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/day-rut-nhua.5op

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em cùng đọc: