Lực ma sát là gì? Phân loại, công thức tính và ứng dụng trong đời sống

Có nhiều tình huống thú vị trong cuộc sống có sự xuất hiện của lực ma sát. Ví dụ như bạn đẩy một chiếc tủ nặng mà nó không nhúc nhích, bạn bóp phanh xe đạp và bánh xe từ từ dừng lai, bạn đi trên sàn nhà ướt vừa lau và suýt ngã… Vậy lực ma sát là gì? Tại sao nó liên quan đến những hiện tượng thú vị trên? Cùng tìm hiểu nhanh trong bài viết sau.

1. Lực ma sát là gì?

Lực ma sát là lực cản xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật và có xu hướng chống lại việc hai bề mặt đó thay đổi vị trí tương đối với nhau.

Đơn vị của lực ma sát giống các loại lực khác là Newton (N).

Có thể bạn chưa biết, khi hai bề mặt của vật cọ sát vào nhau, lực ma sát sinh ra được chuyển hóa động năng thành các dạng năng lượng khác. Do quá trình này xảy ra sự va chạm giữa các phân tử trên hai bề mặt, tạo ra các phản ứng nhiệt hoặc làm biến dạng, nên một phần năng lượng được tích lũy thành điện năng hay quang năng.

Vì vậy, xét từ góc độ vi mô, lực ma sát mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày thực chất là lực điện từ, một dạng lực cơ bản của tự nhiên khi các phân tử và nguyên tử tiếp xúc với nhau.

2. Các loại lực ma sát là gì?

Có 3 loại lực ma sát chính: ma sát nghỉ, ma sát trượt và ma sát lăn. Đặc điểm cụ thể của các loại lực ma sát là gì?

2.1 Lực ma sát nghỉ

Lực ma sát nghỉ là lực xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc của vật với bề mặt vật khác, lực này giữ cho vật đứng yên. Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi có lực tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc nhưng lực đó chưa đủ mạnh để làm vật chuyển động.

Đặc điểm của lực ma sát nghỉ:

• Điểm đặt: Tại vật, sát bề mặt tiếp xúc
• Phương: Song song với bề mặt tiếp xúc
• Chiều: Ngược với chiều của lực tác dụng lên vật
• Độ lớn: Bằng đúng độ lớn của lực tác dụng lên vật.

Ví dụ: Xe đỗ trên đường mà không bị trôi, người đứng trên thang cuốn không bị trượt ngã, hàng hóa như bao xi măng hay bao đường di chuyển cùng băng chuyền mà không bị rơi - tất cả đều là những lợi ích mà lực ma sát nghỉ mang lại.

2.2 Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật đang trượt trên bề mặt của một vật khác, làm cản trở chuyển động trượt của vật.

Đặc điểm:

• Xuất hiện ở mặt tiếp xúc của vật đang trượt
• Luôn ngược hướng với chuyển động tương đối của vật
• Có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của áp lực lên bề mặt tiếp xúc

Chú ý: Độ lớn của lực ma sát trượt không phụ thuộc vào tốc độ và diện tích tiếp xúc của vật. Nó chỉ phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc (nhám, khô, trơn) và vật liệu của hai đối tượng tiếp xúc.

Ví dụ: Xe tải bốn bánh, và xe tải tám bánh cùng loại lốp, cùng tải trọng có lực cản gần như nhau dù diện tích tiếp xúc của bánh xe khác nhau.

2.3 Lực ma sát lăn

Lực ma sát lăn xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật hình tròn (bánh xe, quả cầu, con lăn) lăn trên bề mặt của vật khác, có tác dụng cản trở chuyển động lăn.

Ví dụ: Trong kỹ thuật, lực ma sát lăn luôn nhỏ hơn rất nhiều lần so với lực ma sát trượt trong cùng điều kiện tải trọng. Đây chính là đặc điểm kỹ thuật thúc đẩy phát minh ra bánh xe và ổ bi để biến chuyển động trượt tốn nhiều lực cản thành chuyển động lăn tốn ít lực cản hơn.

2.4 Lực ma sát nhớt (ma sát trong chất lỏng, chất khí)

Ngoài 3 loại trên, còn có một loại lực ít phổ biến hơn là ma sát nhớt xuất hiện khi có sự tương tác giữa một chất lỏng (hoặc chất khí) với một vật thể rắn. Loại ma sát này không chỉ sinh ra do cọ xát, mà còn có thể xuất hiện theo phương vuông góc với bề mặt tiếp xúc. Loại lực ma sát nhớt này đặc biệt ở chỗ, khi vận tốc của vật thể rắn đủ lớn, lực ma sát nhớt có thể nâng vật thể lên cao.

3. Điểm thú vị của lực ma sát nghỉ và ma sát trượt?

Điểm thú vị khi học lực ma sát là gì đó là khi vật bắt đầu trượt, lực ma sát trượt nhỏ hơn lực ma sát nghỉ cực đại. Chỉ khi lực ma sát vượt qua giới hạn lực ma sát nghỉ cực đại, lực cản chuyển thành ma sát trượt - vốn nhỏ hơn ma sát nghỉ cực đại. 

Đây là lý do tại sao khi bạn cố đẩy một vật nặng, cảm giác lúc nào vừa bắt đầu trượt luôn nhẹ nhàng hơn hẳn lúc bạn còn đang cố làm nó nhúc nhích.

4. Công thức tính lực ma sát là gì?

Công thức tính lực ma sát trượt:

Fmst = μt . N 

Trong đó:

• μt: hệ số ma sát trượt (không có đơn vị, phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng hai bề mặt tiếp xúc)
• N: độ lớn áp lực (hay phản lực pháp tuyến) của vật lên bề mặt tiếp xúc (đơn vị: N)

Công thức tính lực ma sát nghỉ cực đại: 

Fmsn = μn . N 

Trong đó μn là hệ số ma sát nghỉ, N là độ lớn phản lực.

Công thức tính lực ma sát lăn:

Fmsl = μl . N

Trong đó μl là hệ số ma sát lăn. Theo số liệu thực tế, giá trị hệ số ma sát lăn thông thường chỉ khoảng 0,001 - nhỏ hơn ma sát trượt hàng chục đến hàng trăm lần, tùy vật liệu.

5. Tác dụng của lực ma sát trong cuộc sống

Lực ma sát tồn tại giúp đời sống của chúng ta diễn ra thuận tiện và hiệu quả hơn rất nhiều. Cụ thể, nó giúp:

• Giữ vật đứng yên, giúp bạn cầm nắm đồ vật trên tay
• Giúp xe không trượt bánh khi đi xuống dốc
• Ngoài ra, lực ma sát còn là lực đẩy do động cơ sinh ra làm quay tuabin, giúp vật chuyển động từ trạng thái đứng yên.
• Vận hành hệ thống phanh xe giúp xe giảm tốc và dừng lại an toàn nhờ lực ma sát chuyển động năng của xe thành nhiệt năng.
• Gia công bề mặt để mài nhẵn kim loại, gỗ, làm sáng bề mặt trong sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ, sơn mài, đánh bóng,..
• Trong âm nhạc, lực ma sát trượt làm dây đàn dao động phát ra âm thanh.

6. Tác hại của lực ma sát là gì?

Bên cạnh lợi ích, lực ma sát cũng gây ra không ít phiền toái. Tác hại của lực ma sát là gì?

• Làm mòn các chi tiết máy: Ma sát trượt khiến các bộ phận bị hao mòn và tiêu hao chi phí thay thế của doanh nghiệp. Đây là lý do các chi tiết máy cần được tra dầu để hạn chế tình trạng ma sát này.
• Cản trở chuyển động khiến cho máy móc, phương tiện tốn thêm năng lượng để hoạt động
• Sinh nhiệt gây hư hại, thậm chí gây cháy nổ nếu ma sát quá lớn và kéo dài.

7. Cách làm tăng và giảm lực ma sát là gì?

Để làm tăng lực ma sát, có thể:

• Tăng áp lực giữa các bề mặt tiếp xúc
• Tăng độ nhám bề mặt

Để làm giảm lực ma sát, có thể:

• Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn. Ví dụ điển hình là ổ bi xe, vừa giảm ma sát, vừa giảm khả năng trục xe bị bào mòn
• Giảm ma sát tĩnh. Ví dụ điển hình là khi khởi động tàu hỏa, người ta đẩy giật lùi tàu trước. Nhờ vậy mà khi kéo tàu chỉ cần kéo từng toa một, thay vì phải thắng lực ma sát tĩnh của cả đoàn tàu cùng một lúc.
• Thay đổi bề mặt tiếp xúc, dùng chất bôi trơn như dầu mỡ để giảm hệ số ma sát
• Giảm tải trọng vì lực ma sát tỉ lệ thuận với trọng lực.

9. Điều gì xảy ra nếu không có lực ma sát?

Nếu không có lực ma sát, các vật thể sẽ không bị cản trở khi di chuyển. Nghĩa là vật đang di chuyển sẽ không dừng lại cho đến khi chịu ảnh hưởng của một lực bên ngoài. Ví dụ, nếu bạn đẩy một hộp, nó sẽ tiếp tục di chuyển mãi mãi cho đến khi có lực khác tác động lên nó.

Nếu không có lực ma sát, cuộc sống của bạn sẽ thay đổi hoàn toàn, cụ thể:

• Chuyển động của vật thể thay đổi: Vật thể được bạn tác dụng lực sẽ di chuyển mãi cho đến khi có lực khác tác động đến nó.
• Gặp khó khăn trong việc di chuyển do không có ma sát giữa giày và mặt đất hay lốp xe và mặt đường, khiến bạn không thể điều khiển phương tiện hoặc trượt ngã.
• Thiếu khả năng dừng lại: Các phương tiện không thể dừng lại nếu không có lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
• Hỏng hóc thiết bị: Nếu không có lực ma sát, năng lượng sẽ không thể chuyển sang nhiệt năng khi các bề mặt cọ xát với nhau, một số quá trình như phanh sẽ không hoạt động hiệu quả có thể dẫn đến hỏng thiết bị.

10. Góc nhìn khoa học về lực ma sát

Nghe có vẻ khá bất ngờ, nhưng đến tận bây giờ, giới khoa học vẫn chưa hiểu hết về lực ma sát, như lực thay đổi thế nào theo nhiệt độ hay môi trường.

Công thức quen thuộc mà chúng ta học ở trường - lực ma sát tỉ lệ thuận với áp lực pháp tuyến - được gọi là định luật Amontons. Đây là một mối liên hệ mang tính kinh nghiệm, vẫn được dùng rộng rãi trong chế tạo máy móc, dù thực tế lực ma sát còn biến thiên theo nhiều yếu tố khác mà định luật này không tính đến, như: tốc độ trượt, khoảng thời gian tiếp xúc, môi trường, nhiệt độ, và cả hướng trượt.

Nhóm Weymouth tại Đại học Regensburg (Đức) đã nghiên cứu và công bố trên tạp chí Physical Review Letters, sau khi dùng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để đo lực ma sát ở cấp độ chỉ vài nguyên tử. Kết quả bài nghiên cứu này cho thấy lực ma sát phụ thuộc mạnh vào hướng của các liên kết nguyên tử silicon so với hướng trượt - hiện tượng gọi là tính dị hướng ma sát.

Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể dự đoán định lượng lực ma sát sẽ thay đổi thế nào theo nhiệt độ hay môi trường. Một khái niệm tưởng như đơn giản mà bạn học ở lớp 6, hóa ra vẫn là một bài toán mở của vật lý hiện đại.

Lực ma sát là lực cản xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật, gồm ba loại chính: ma sát nghỉ, ma sát trượt và ma sát lăn - mỗi loại có công thức và đặc điểm riêng. Lực ma sát vừa giúp bạn đi lại, cầm nắm, phanh xe an toàn, vừa âm thầm bào mòn máy móc theo năm tháng. Và dù đã được dạy trong sách giáo khoa từ hàng chục năm nay, bản chất sâu xa của lực ma sát - ở cấp độ nguyên tử - vẫn là điều khoa học hiện đại đang tiếp tục giải mã.