1.14 Lực ma sát và lực pháp tuyến
Khi hai vật trượt lên nhau, sẽ phát sinh lực ma sát giữa chúng. Thỉnh thoảng những lực này có lợi cho chúng ta, và thỉnh thoảng chúng gây cản trở chúng ta. Không có ma sát, sẽ không thể nào làm cho một chiếc xe khởi động, dừng lại, hoặc rẽ cua. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể khử lực ma sát đi một khi xe của chúng ta đang chuyển động ở một vận tốc không đổi, thì chúng ta sẽ không cần động cơ nữa vì, theo định luật I Newton, chúng ta sẽ tiếp tục chuyển động ở tốc độ không đổi theo một đường thẳng.
Những chi tiết vi mô của lực ma sát vẫn chưa được hiểu hết. Chúng ta tin rằng khi hai vật tiếp xúc nhau, chúng tạo ra những kết nối vi mô tại những điểm khác nhau trên bề mặt của chúng. Ngay cả những bề mặt tráng nhẵn bóng vẫn là gồ ghề và mấp mô khi nhìn dưới một kính hiển vi phân giải mạnh. Vì các điểm tiếp xúc ở quá gần nhau, nên các lực liên phân tử tạo ra những mối hàn vi mô phải bị phá vỡ để cho các vật tách ra khỏi nhau. Những mối hàn này tiếp tục tạo ra và phá vỡ khi các vật trượt qua nhau.
Xét một cài đèn nằm trên bàn. Hình 1.52 là sơ đồ vật tự do của cái đèn cho thấy lực do trọng lực tác dụng (hướng xuống) và lực do cái bàn tác dụng (hướng lên). Giả sử cái đèn không gia tốc, thì hai lực này bằng nhau và ngược chiều nhau. Lực hướng lên của cái bàn tác dụng vuông góc với mặt bàn. Bất kì lực nào do một bề mặt tác dụng lên một vật thì luôn vuông góc với bề mặt đó (tức là pháp tuyến với bề mặt) và được gọi là lực pháp tuyến, Fn.
Lực ma sát luôn tác dụng để chống lại sự trượt của hai bề mặt lên nhau. Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc trực tiếp vào lực pháp tuyến, Fn, và được cho bởi
Fms = μFn
trong đó μ (phát âm là “mew”, giống như tiếng mèo kêu), là hệ số ma sát, phụ thuộc vào bản chất của bề mặt và được tim ra bằng thực nghiệm.
Có hai loại ma sát trượt: ma sát tĩnh và ma sát động. Nói chung, lực ma sát tĩnh thì lớn hơn lực ma sát động. Nói cách khác, việc bắt đầu di chuyển một vật đang đứng yên thì khó hơn việc di chuyển một vật đang chuyển động. Ví dụ, khi một chiếc xe hơi bị mắc kẹt trong bùn lầy, ta khó đưa xe ra khỏi tình trạng mắc kẹt hơn là giữ cho nó chuyển động một khi đã không còn mắc kẹt nữa. Để phản ánh quan sát này, chúng ta sử dụng những hệ số ma sát khác nhau, phụ thuộc vào vật đang đứng yên hay đang chuyển động. Khi một vật đang đứng yên (tức là tĩnh), ta thay hệ số ma sát tĩnh, μs, vào phương trình lực ma sát. Khi một vật đang chuyển động, ta sử dụng hệ số ma sát động, μk.
Hệ số ma sát là tỉ số của hai lực, lực ma sát và lực pháp tuyến, . Do đó, m không có đơn vị.
Một tính chất của chất lỏng và chất khí, gọi là sự nhớt, xác định lực ma sát giữa hai vật trượt lên nhau khi có một lớp chất lỏng hoặc chất khí ở giữa chúng. Độ nhớt rất thấp của không khí làm cho lực ma sát giữa không khí và một bề mặt hầu như là bằng không.
Ví dụ 22. Lực ma sát
Một người chủ nhà mới đẩy một cái tủ lạnh 150 kg trên sàn nhà ở một tốc độ không đổi. Nếu hệ số ma sát động là 0,30, hãy tính
- Lực ma sát tác dụng lên cái tủ lạnh?
- Lực tác dụng bởi người chủ nhà?
Bài giải và liên hệ lí thuyết
- Sơ đồ vật tự do của chúng ta thể hiện bốn lực. Chúng ta biết rằng cái tủ lạnh đang chuyển động ở một tốc độ không đổi; nghĩa là tất cả các lực tác dụng lên nó cân bằng nhau (định luật I Newton). Do đó, ta có thể kết luận rằng lực tác dụng và lực ma sát là bằng nhau, lực pháp tuyến và trọng lực của vậy. Ta tính lực ma sát,
Lực do người chủ nhà tác dụng cũng là 4,4 × 102 N.
Ví dụ 23. Dừng lại
Bạn đang lau dọn phòng mình, bạn ném giày mình vào một góc phòng. Nó bắt đầu đi ngang qua sàn nhà ở tốc độ 1,5 m/s. Nếu chiếc giày có khối lượng 200 g, và hệ số ma sát động được giữa chiếc giày và sàn nhà là 0,15, thì chiếc giày sẽ đi được bao xa trước khi dừng lại?
Bài giải và liên hệ lí thuyết
Đã biết
Chiều sang phải là chiều dương.
Vì chiếc giày đã rời khỏi tay bạn, nên tay bạn không còn có khả năng tác dụng lực lên nó. Hai lực thẳng đứng, trọng lực và lực pháp tuyến, cân bằng nhau. Do đó, không có chuyển động theo phương thẳng đứng.
Theo phương x,
Fhl = – Fms = – μkFn
Nhưng Fn = mg
Fhl = – μkmg
Vậy chiếc giày bạn ném sẽ đi được 0,77 m trước khi dừng lại.
Ví dụ 24. Tính lực ma sát tác dụng lên máy cắt cỏ đang được đẩy
Một máy cắt cỏ khối lượng 12 kg đang được đẩy bởi một lực 150 N ngang và 40 N xuống. Nếu hệ số ma sát động giữa bánh xe và cỏ là 0,9, hãy tìm lực ma sát tác dụng lên máy cẳt cỏ và gia tốc của máy cắt cỏ.
Bài giải và liên hệ lí thuyết
Giả sử hệ quy chiếu và chuyển động có chiều sang phải.
Đã biết
_______
1. a) Lực ma sát cần thiết để đưa một chiếc xe tải 4000 kg đang chạy 60 km/h đến dừng lại trong 10 s là bao nhiêu?
b) Hệ số ma sát động tối thiểu cần thiết là bao nhiêu?
2. Một con vịt đồ chơi đi lắc lư trên sàn nhà ở một tốc độ không đổi.
- Hãy so sánh độ lớn của lực tác dụng và lực ma sát.
- Nếu hệ số ma sát động của sàn nhà là 0,15 thì gia tốc tối đa về phía trước mà con vịt có thể thu được là bao nhiêu?
3. Một diễn viên thế thân 90 kg nhảy ra từ phía sau của một xe tải đang chạy 80 km/h và trượt xuống mặt đường trên phần lưng đã được bảo hộ của anh ta. Nếu hệ số ma sát động giữa đồ bảo hộ của anh ta và mặt đường là 0,60 thì người diễn viên đó sẽ trượt đoạn đường bao xa?
Vật lí - Các khái niệm và quan hệ
SGK của Canada - Nhiều tác giả
Bản dịch của Thuvienvatly.com
