Lực ma sát là gì? Cách phân biệt ma sát nghỉ, trượt, lăn

Lực ma sát xuất hiện rất thường xuyên: bánh xe lăn trên đường, tay cầm bút không bị trượt, quyển sách nằm yên trên mặt bàn nghiêng nhẹ, hoặc dép mòn dần sau một thời gian sử dụng. Vì quá quen thuộc, nhiều học sinh tưởng mình đã hiểu ma sát, nhưng khi gặp bài tập lại dễ nhầm các dạng ma sát.

Hiểu đúng lực ma sát giúp học sinh làm tốt bài cơ học về lực, chuyển động và cân bằng. Bài viết này giải thích lực ma sát là gì và cách phân biệt ba dạng ma sát thường gặp.

Lực ma sát là gì?

Lực ma sát là lực xuất hiện ở mặt tiếp xúc giữa hai vật, có tác dụng cản trở chuyển động tương đối hoặc xu hướng chuyển động tương đối giữa chúng. Khi một vật muốn trượt, đang trượt hoặc đang lăn trên bề mặt khác, lực ma sát thường xuất hiện để “chống lại” chuyển động đó.

Ma sát không phải lúc nào cũng xấu. Nếu không có ma sát, chúng ta khó đi bộ, xe khó phanh, bút khó viết và ốc vít khó giữ chặt. Tuy nhiên, trong máy móc, ma sát quá lớn có thể làm nóng, mòn chi tiết và hao phí năng lượng.

Khi nào lực ma sát xuất hiện?

Hai vật phải tiếp xúc với nhau, đồng thời có chuyển động tương đối hoặc xu hướng chuyển động tương đối. Một thùng hàng trên sàn phẳng có thể chưa chịu ma sát đáng kể theo phương ngang. Nhưng khi bạn đẩy thùng, sàn sẽ tác dụng lực ma sát ngược lại xu hướng trượt. Trong bài tập, các cụm như “mặt phẳng nghiêng”, “hệ số ma sát” hoặc “vật bắt đầu chuyển động” thường báo rằng cần xét lực ma sát.

Hướng của lực ma sát xác định thế nào?

Lực ma sát có hướng ngược với chuyển động tương đối hoặc xu hướng chuyển động tương đối tại mặt tiếp xúc. Nếu quyển sách đang trượt sang phải trên mặt bàn, lực ma sát của bàn tác dụng lên sách hướng sang trái. Nếu bạn đẩy chiếc tủ sang phải nhưng tủ chưa chuyển động, ma sát nghỉ sẽ hướng sang trái.

Điểm dễ nhầm là ma sát không phải lúc nào cũng ngược chiều chuyển động của vật so với mặt đất. Với bánh xe đang lăn, hướng ma sát phụ thuộc vào xu hướng trượt tại điểm tiếp xúc.

Ma sát nghỉ: vật chưa trượt nhưng đã có lực cản

Ma sát nghỉ xuất hiện khi hai bề mặt chưa trượt tương đối với nhau, nhưng có xu hướng trượt. Ví dụ, bạn đẩy nhẹ một chiếc bàn mà bàn vẫn đứng yên. Lực bạn tác dụng làm bàn có xu hướng chuyển động, còn ma sát nghỉ từ sàn giữ bàn lại.

Ma sát nghỉ có thể thay đổi để cân bằng với lực kéo hoặc lực đẩy. Khi lực đẩy vượt quá giới hạn cực đại, vật bắt đầu trượt và ma sát nghỉ chuyển sang ma sát trượt.

Ma sát trượt: vật đang trượt trên bề mặt

Ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt trên bề mặt vật khác. Ví dụ, kéo một hộp gỗ đang trượt trên sàn, trượt viên phấn trên bảng hoặc đẩy quyển vở trượt trên bàn. Lực ma sát trượt thường làm vật chậm lại nếu không có lực kéo duy trì.

Trong nhiều bài tập phổ thông, lực ma sát trượt được tính bằng Fms = μN, trong đó μ là hệ số ma sát trượt và N là phản lực vuông góc. Nếu có lực kéo xiên hoặc mặt phẳng nghiêng, cần tìm đúng N trước khi thay số.

Ma sát lăn: thường nhỏ hơn ma sát trượt

Ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt vật khác, chẳng hạn bánh xe lăn trên đường hoặc viên bi lăn trên máng. Trong thực tế, ma sát lăn thường nhỏ hơn ma sát trượt, vì vậy con người dùng bánh xe, ổ bi và con lăn để di chuyển vật nặng dễ hơn.

Tuy vậy, ma sát lăn không biến mất hoàn toàn. Bánh xe vẫn bị cản bởi biến dạng của lốp, mặt đường và ổ trục. Khi lốp non hơi hoặc mặt đường gồ ghề, xe đạp sẽ khó đi hơn vì lực cản tăng lên.

Cách phân biệt nhanh ba loại ma sát

Muốn phân biệt, hãy hỏi: vật đã trượt chưa? Nếu chưa trượt nhưng có xu hướng trượt, đó là ma sát nghỉ. Nếu hai bề mặt đang trượt qua nhau, đó là ma sát trượt. Nếu vật chuyển động bằng cách lăn, đó là ma sát lăn.

Ví dụ, thùng hàng đứng yên khi bị đẩy nhẹ chịu ma sát nghỉ. Nếu bắt đầu trượt trên sàn, lực cản là ma sát trượt. Nếu đặt lên xe đẩy có bánh, lực cản chủ yếu liên quan đến ma sát lăn.

Ma sát có lợi và có hại như thế nào?

Ma sát có lợi khi giúp vật bám chắc: chân bám mặt đất, lốp xe bám đường, tay cầm bút không bị trượt. Ma sát có hại khi gây mòn, nóng và hao phí năng lượng. Động cơ cần dầu bôi trơn, máy móc dùng ổ bi, đế giày mòn dần vì ma sát với mặt đường.

Mẹo làm bài tập về lực ma sát

Trước hết, hãy vẽ sơ đồ lực: trọng lực, phản lực, lực kéo hoặc lực đẩy, rồi xác định lực ma sát tại mặt tiếp xúc. Tiếp theo, hỏi vật đang đứng yên, sắp trượt, đang trượt hay đang lăn. Khi gặp Fms = μN, cần tìm đúng N trước.

Để ôn chắc hơn, học sinh có thể liên kết bài này với ba định luật Newton. Khi cần nhớ công thức và điều kiện áp dụng, có thể dùng cách học trong bài học công thức Vật lý bằng flashcard, rồi luyện thêm ở trang môn Vật lý.

FAQ

Lực ma sát luôn ngược chiều chuyển động đúng không?

Không phải lúc nào cũng nên nói vậy. Chính xác hơn, lực ma sát ngược với chuyển động tương đối hoặc xu hướng chuyển động tương đối tại mặt tiếp xúc.

Ma sát nghỉ và ma sát trượt khác nhau ở đâu?

Ma sát nghỉ xuất hiện khi vật chưa trượt nhưng có xu hướng trượt. Ma sát trượt xuất hiện khi hai bề mặt đang trượt qua nhau.

Vì sao ma sát lăn thường nhỏ hơn ma sát trượt?

Khi lăn, các bề mặt không bị kéo trượt qua nhau nhiều như khi trượt, nên lực cản thường nhỏ hơn.

Lực ma sát phụ thuộc vào yếu tố nào?

Trong bài tập cơ bản, lực ma sát phụ thuộc vào phản lực vuông góc và hệ số ma sát. Thực tế còn có độ nhám, vật liệu và tình trạng bề mặt.

Khi nào dùng công thức Fms = μN?

Công thức này thường dùng cho ma sát trượt trong bài tập phổ thông. Với ma sát nghỉ, cần chú ý nó có thể thay đổi đến một giá trị cực đại.