Ma sát — Các loại, công thức và ví dụ thực tế

Ma sát là lực tiếp xúc cản trở chuyển động tương đối, hoặc xu hướng chuyển động tương đối, giữa các bề mặt. Trong vật lý, câu hỏi then chốt thường là các bề mặt đang bám dính hay đã trượt, vì điều đó cho biết nên dùng ma sát nghỉ hay ma sát trượt.

Trong mô hình bề mặt khô tiêu chuẩn dùng trong vật lý nhập môn, các công thức chính là

fs≤μsNf_s le mu_s Nfs​≤μs​N

cho ma sát nghỉ, và

fk=μkNf_k = mu_k Nfk​=μk​N

cho ma sát trượt. Ở đây NNN là lực pháp tuyến, μsmu_sμs​ là hệ số ma sát nghỉ, và μkmu_kμk​ là hệ số ma sát trượt.

Ma sát có nghĩa gì trong vật lý

Ma sát tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc. Hướng của nó ngược với chuyển động tương đối, hoặc chuyển động lẽ ra sẽ xảy ra nếu không có ma sát.

Ý thứ hai này rất quan trọng. Nếu một chiếc hộp không chuyển động, ma sát nghỉ vẫn có thể tồn tại. Nó tự điều chỉnh đến giá trị cần thiết để ngăn trượt, cho đến một giới hạn cực đại.

Ma sát nghỉ và ma sát trượt

Ma sát nghỉ

Ma sát nghỉ áp dụng khi các bề mặt không trượt tương đối so với nhau. Độ lớn của nó bằng đúng giá trị cần thiết để ngăn trượt, cho đến một giá trị cực đại:

fs,max⁡=μsNf_{s,max} = mu_s Nfs,max​=μs​N

Vì vậy nếu lực ma sát cần thiết nhỏ hơn μsNmu_s Nμs​N, vật có thể vẫn đứng yên.

Ma sát trượt

Ma sát trượt áp dụng khi các bề mặt đã trượt lên nhau. Trong mô hình ma sát khô đơn giản dùng trong nhiều bài toán nhập môn, độ lớn của nó là

fk=μkNf_k = mu_k Nfk​=μk​N

Giá trị này thường nhỏ hơn ma sát nghỉ cực đại, điều này giúp giải thích vì sao bắt đầu làm một vật chuyển động thường có cảm giác khó hơn so với việc giữ nó tiếp tục chuyển động.

Ma sát lăn và lực cản của chất lưu

Trong ngôn ngữ hằng ngày, người ta thường xếp chúng vào nhóm "ma sát", nhưng chúng thường được mô hình hóa theo cách khác. Lực cản lăn và lực cản không tuân theo một công thức chung cho mọi điều kiện, nên đừng ép chúng vào cùng quy tắc như ma sát trượt khô.

Ví dụ về công thức ma sát

Giả sử một chiếc hộp 10 kg10 mathrm{kg}10 kg trượt trên sàn phẳng ngang. Hệ số ma sát trượt là μk=0.30mu_k = 0.30μk​=0.30. Lực ma sát tác dụng lên hộp là bao nhiêu?

Trên sàn phẳng ngang và không có lực nào khác theo phương thẳng đứng, lực pháp tuyến bằng trọng lượng của hộp:

N=mg=10×9.8=98 NN = mg = 10 times 9.8 = 98 mathrm{N}N=mg=10×9.8=98 N

Bây giờ áp dụng công thức ma sát trượt:

fk=μkN=0.30×98=29.4 Nf_k = mu_k N = 0.30 times 98 = 29.4 mathrm{N}fk​=μk​N=0.30×98=29.4 N

Vậy lực ma sát trượt có độ lớn 29.4 N29.4 mathrm{N}29.4 N và hướng ngược với chiều trượt.

Ý chính nằm ở thứ tự làm bài: xác định loại ma sát, tìm lực pháp tuyến, rồi áp dụng công thức tương ứng.