Lực ma sát được nhắc đến rất nhiều trong đời sống và khoa học. Vậy bạn đã nắm rõ những ứng dụng của lực ma sát chưa? Hãy cùng tìm hiểu nhé

Mọi người đều biết lực ma sát sinh ra để cản trở quá trình di chuyển của các bề mặt. Nhưng bạn đã hiểu rõ về các lực ma sát và ứng dụng của chúng chưa? Hãy cùng Vietchem tìm hiểu chi tiết về các loại lực ma sát nhé.

1. Lực ma sát là gì?

Lực ma sát (Friction) trong vật lý là lực cản xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc của các vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt đó. Nói cách khác, lực ma sát là lực cản trở chuyển động của một vật, xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa vật đó với bề mặt khác.

Hình 1: Lực ma sát xuất hiện khi các bề mặt vật chất va chạm với nhau

Lực ma sát sẽ làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác. Quá trình này thường là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron. Nó được tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng.

Bản chất, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên giữa các phân tử, nguyên tử.

2. Có mấy loại lực ma sát

Dựa trên trạng thái động học của các vật thể tiếp xúc, trong chương trình Vật lý phổ thông chia lực ma sát thành 3 loại chính bao gồm: lực ma sát trượt, lực ma sát nghỉ và lực ma sát lăn. Dưới đây là chi tiết đặc điểm và công thức của từng loại:

2.1. Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật chuyển động trượt trên bề mặt của một vật khác. Lực này luôn có hướng ngược với hướng chuyển động tương đối của vật và có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của áp lực lên bề mặt tiếp xúc.

Công thức tính lực ma sát trượt: Fmst = μt . N

Trong đó:

• Fmst: Độ lớn của lực ma sát trượt (đơn vị: Newton - N).
• μt: Hệ số ma sát trượt (không có đơn vị, phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai bề mặt tiếp xúc).
• N: Độ lớn áp lực (hoặc phản lực pháp tuyến) của vật lên bề mặt tiếp xúc (đơn vị: Newton - N).

Lợi ích của lực ma sát trượt

• Lực sinh ra giữa má phanh và bánh xe làm cho quay chậm, cản trở sự quay của bánh xe. Khi đó xuất hiện sự trơn trượt trên mặt đường, giúp dừng xe một cách an toàn.

• Ứng dụng để mài nhẵn các bề mặt cứng như kim loại hoặc gỗ
• Ở đàn vĩ cầm, khi cọ xát cần kéo trên dây đàn thì giữa chúng sẽ xuất hiện ma sát trượt làm cho dây đàn dao động từ đó phát ra âm thanh.

Hình 2: Lực ma sát trượt sinh ra giữa bánh xe và má phanh

Tác hại của lực ma sát trượt

• Ma sát trượt làm cản trở chuyển động, làm mòn các chi tiết máy.
• Do đó trong các chi tiết máy bao giờ cũng được tra dầu mỡ công nghiệp để làm hạn chế tình trạng ma sát trượt khi vận hành máy.

2.2. Lực ma sát nghỉ

Lực ma sát nghỉ là lực xuất hiện khi một vật nằm yên trên bề mặt vật khác. Nó xuất hiện ở hai vật tiếp xúc với nhau do trên bề mặt tiếp xúc tác dụng lên vật khi có ngoại lực giúp cho vật đứng yên tương đối trên bề mặt của vật khác hoặc thành phần của ngoại lực, bề mặt tiếp xúc tác dụng làm vật có xu hướng chuyển động.

Công thức tính lực ma sát nghỉ:

Trong đó:

+ μ_n là hệ số ma sát nghỉ

+ N là độ lớn phản lực (N)

Hình 3: Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi một vật nằm trên vật khác

2.3. Lực ma sát lăn

Lực ma sát lăn xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật hình tròn (như bánh xe, quả cầu, con lăn) lăn trên bề mặt của một vật khác để cản trở chuyển động lăn của vật. Trong thực tế kỹ thuật, lực ma sát lăn luôn có độ lớn nhỏ hơn rất nhiều lần so với lực ma sát trượt trong cùng điều kiện tải trọng.

Độ lớn của lực ma sát lăn:

Fmsl = μl.N  

Trong đó:

+ μl là hệ số ma sát lăn

+ N là độ lớn phản lực (N)

Hình 4: Lực ma sát lăn

3. Tác dụng của lực ma sát

Trong cuộc sống thường ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp lực ma sát. Loại lực này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, cụ thể như:

• Giúp giữ các vật thể đứng yên trong không gian, giúp chúng ta cầm nắm các vật trên tay hay giữ được đinh trên tường.
• Nó giúp cho xe đang di chuyển không bị trượt bánh khi đi vào những khúc cua.
• Có vai trò làm lực phát động làm cho vật chuyển động. Ví dụ như khi xe đang chuyển từ trạng thái đứng yên sang di chuyển, lực đẩy mà động cơ sinh ra sẽ làm quay các tuabin rồi truyền lực tới các bánh xe.
• Được dùng trong gia công các đồ thủ công mỹ nghệ để làm sáng bề mặt.
• Ứng dụng trong hệ thống phanh (thắng) của phương tiện giao thông: Khi bóp phanh, lực ma sát trượt giữa má phanh và bánh xe (hoặc đĩa phanh) sẽ chuyển hóa toàn bộ động năng của phương tiện thành nhiệt năng (làm nóng má phanh, vành xe và mặt đường), giúp phương tiện giảm tốc độ và dừng lại một cách an toàn.
• Sinh ra nhiệt năng nên nó được sử dụng để đánh lửa dùng trong đá lửa. Đây được cho là công cụ giúp tạo ra lửa của người tiền sử.

4. Cách tăng giảm lực ma sát

4.1. Cách làm tăng lực ma sát

Ma sát xuất hiện trong nhiều tình huống như lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường, giữa đế giày và mặt đất, và khi chúng ta cầm một vật. Lực ma sát có thể có ích trong nhiều trường hợp. Để tăng lực ma sát, chúng ta có thể tăng áp lực giữa các bề mặt tiếp xúc, tăng độ nhám của bề mặt (ví dụ: bằng cách tạo nhiều khía cắt trên vỏ xe hoặc đế giày), hoặc thậm chí rải cát lên mặt đường trơn.

4.2. Cách làm giảm lực ma sát

• Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn, giúp giảm ma sát đáng kể trong các hệ thống cơ học.
• Giảm ma sát tĩnh, ví dụ như trước đây các đoàn tàu hỏa khi khởi động đầu tàu sẽ được đẩy giật lùi, tạo nên một khe hở giữa các toa tàu, trước khi tiến. Động tác này giúp đầu tàu kéo từng toa tàu một, chỉ phải chống lại ma sát tĩnh của mỗi toa một lúc.
• Thay đổi bề mặt, bên cạnh sử dụng các chất bôi trơn như dầu mỡ, bột than chì thì giữa các bề mặt rắn có tác dụng làm giảm hệ số ma sát.

5. Bài tập liên quan đến lực ma sát

Bài 1: Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi:

A. có ngoại lực tác dụng lên vật. Ngoại lực này có xu hướng làm cho vật chuyển động và đủ để thắng lực ma sát.

B. có nội lực tác dụng lên vật. Nội lực này có xu hướng làm cho vật chuyển động nhưng chưa đủ để thắng lực ma sát.

C. có ngoại lực tác dụng lên vật. Ngoại lực này có xu hướng làm cho vật chuyển động nhưng chưa đủ để thắng lực ma sát.

D. có nội lực tác dụng lên vật. Nội lực này có xu hướng làm cho vật chuyển động và đủ để thắng lực ma sát.

Lời giải

Lực ma sát nghỉ  chỉ xuất hiện khi có ngoại lực tác dụng lên vật. Ngoại lực này có xu hướng làm cho vật chuyển động nhưng chưa đủ để thắng lực ma sát.

Đáp án: C

Bài 2: Người ta đẩy một cái thùng có khối lượng m = 50 kg theo phương ngang bằng một lực đẩy F = 150 N. Hệ số ma sát giữa thùng và mặt sàn là μ = 0,35. Lấy g = 10 m/s2. Hỏi thùng có chuyển động không? Lực ma sát thực tế tác dụng lên thùng là bao nhiêu?
A. Thùng chuyển động. Lực ma sát tác dụng vào thùng là 175 N.
B. Thùng chuyển động. Lực ma sát tác dụng vào thùng là 170 N.
C. Thùng không chuyển động. Lực ma sát nghỉ tác dụng vào thùng là 175 N.
D. Thùng không chuyển động. Lực ma sát nghỉ tác dụng vào thùng là 150 N.

Lời giải chi tiết:

Tính lực ma sát nghỉ cực đại (Fmsn_max):
Khi vật đặt trên mặt phẳng ngang, áp lực N bằng trọng lực P của vật:
N = P = m . g = 50 . 10 = 500 (N)
Lực ma sát nghỉ cực đại để vật bắt đầu chuyển động là:
Fmsn_max = μ . N = 0,35 . 500 = 175 (N)

So sánh lực đẩy với lực ma sát nghỉ cực đại:
Ta thấy lực đẩy F = 150 N < Fmsn_max = 175 N.
Do lực đẩy chưa đủ lớn để thắng được lực ma sát nghỉ cực đại, thùng gỗ hoàn toàn đứng yên (không chuyển động).

Xác định lực ma sát thực tế:
Vì thùng gỗ đứng yên cân bằng dưới tác dụng của lực đẩy F và lực ma sát nghỉ Fmsn, nên theo định luật I Newton:
Fmsn = F = 150 (N).
(Lưu ý: Nếu lực ma sát nghỉ bằng 175 N trong khi lực đẩy chỉ có 150 N thì hợp lực sẽ làm thùng tự động gia tốc lùi về phía sau, điều này hoàn toàn phi vật lý).

Như vậy là bạn vừa tìm hiểu xong về lực ma sát cũng như biết được những ứng dụng của chúng. Chúc bạn có kỳ thi thật tốt và hiểu rõ bản chất của lực ma sát nhé.