Ma sát

Trong vật lý, ma sát là lực cản xuất hiện khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, làm chậm hoặc ngăn cản sự thay đổi vị trí giữa chúng. (Nói đơn giản, lực ma sát là lực cản trở sự di chuyển của một vật do các bề mặt tiếp xúc gây ra.)

Lực ma sát chuyển hóa động năng từ chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành các dạng năng lượng khác. Thường thì sự chuyển hóa này xảy ra do va chạm giữa các phân tử của hai bề mặt, tạo ra nhiệt năng hoặc năng lượng dự trữ trong biến dạng bề mặt, hoặc sự di chuyển của các electron, đôi khi được chuyển thành điện năng hoặc quang năng. Trong nhiều trường hợp thực tế, động năng chủ yếu biến thành nhiệt năng.

Về mặt vật lý, lực ma sát giữa các vật thể là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, xảy ra giữa các phân tử và nguyên tử.

Lực ma sát có thể được ước lượng bằng cách nhân lực ép giữa hai bề mặt, áp lực F₀ vuông góc với các bề mặt, với hệ số ma sát, k, của các vật liệu:

$F=F_{0}k$

Danh mục

Có ba dạng lực ma sát: ma sát trượt, ma sát nghỉ và ma sát lăn.

Ma sát nghỉ

Ma sát nghỉ (hay còn gọi là ma sát tĩnh) là lực xuất hiện giữa hai vật tiếp xúc khi một vật có xu hướng di chuyển so với vật kia nhưng chưa có sự thay đổi đáng kể về vị trí giữa chúng. Ví dụ, ma sát nghỉ ngăn cản một vật chuẩn bị trượt trên mặt phẳng nghiêng. Hệ số của ma sát nghỉ, ký hiệu là μ_t, thường lớn hơn so với hệ số của ma sát động. Lực ma sát nghỉ thường cản trở việc bắt đầu chuyển động của vật.

Một ví dụ khác về lực ma sát nghỉ là lực ma sát nghỉ ngăn cản bánh xe mới bắt đầu quay không lăn nhanh như khi nó đã hoạt động. Khi bánh xe đang di chuyển, nó vẫn phải chịu tác động của lực ma sát động. Vì vậy, ma sát nghỉ thường lớn hơn ma sát động.

Lực ma sát nghỉ giúp vật giữ nguyên trạng thái không bị tác động bởi các lực khác.

Giá trị tối đa của lực ma sát nghỉ, khi vật bắt đầu di chuyển, hay ma sát nghỉ cực đại, được tính theo công thức:

F = F₀k_t

với:

k_t đại diện cho hệ số ma sát tĩnh.

F₀ là lực mà vật tác động lên bề mặt phẳng

Ma sát động

Ma sát động xảy ra khi một vật di chuyển so với vật khác và có sự cọ xát giữa chúng. Hệ số ma sát động thường nhỏ hơn ma sát nghỉ. Mỗi loại ma sát động có ký hiệu riêng:

Các dạng ma sát động:

• Ma sát trượt xảy ra khi hai vật thể trượt lên nhau. Lực ma sát trượt ngăn cản vật không tiếp tục trượt. Ví dụ, khi đẩy một cuốn sách trên mặt bàn.
• Ma sát nhớt là sự tương tác giữa vật thể rắn và chất lỏng hoặc khí, ví dụ như một vật thể di chuyển qua nước hoặc không khí. Lực ma sát nhớt, như lực không khí tác động lên máy bay hay nước tác động lên người thợ lặn, không chỉ do sự cọ xát mà còn do lực vuông góc với bề mặt tiếp xúc, đặc biệt quan trọng khi vận tốc lớn. Lực này có thể nâng vật thể lên cao trong một số trường hợp.
• Ma sát lăn là lực cản lại sự lăn của bánh xe hoặc vật hình tròn trên mặt phẳng do sự biến dạng của vật thể hoặc bề mặt. Lực ma sát lăn thường nhỏ hơn các loại ma sát động khác, với hệ số ma sát lăn thường là 0,001. Ví dụ điển hình là sự di chuyển của bánh xe trên đường.

Ma sát trượt

Lực ma sát là lực cản trở sự chuyển động của một vật so với vật khác. Lực ma sát xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật, phụ thuộc vào đặc tính của bề mặt tiếp xúc và độ lớn của áp lực, nhưng không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc hay tốc độ của vật.

Công thức: $F_{mst}=\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}N$

Trong đó:

$F_{mst}$

{\displaystyle F_{mst}} : cường độ của lực ma sát trượt (N)

$\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}$: hệ số ma sát trượt

N: Độ lớn của áp lực phản xạ (N)

Đặc điểm của ma sát trượt

• Điểm đặt lực tại bề mặt tiếp xúc của vật.
• Phương của lực song song với bề mặt tiếp xúc.
• Chiều của lực đối diện với chiều chuyển động tương đối so với bề mặt tiếp xúc.

Hệ số ma sát

Hệ số ma sát không có đơn vị đo lường cụ thể mà thể hiện tỷ lệ giữa lực ma sát và lực tác dụng lên hai vật tiếp xúc. Nó phụ thuộc vào vật liệu cấu thành các bề mặt tiếp xúc; ví dụ, ma sát giữa nước đá và thép là thấp (các vật liệu dễ trượt trên nhau), trong khi ma sát giữa cao su và mặt đường là cao (các vật liệu khó trượt trên nhau). Hệ số ma sát có thể dao động từ 0 đến một giá trị lớn hơn 1. Trong điều kiện lý tưởng, lốp xe trên bê tông có thể đạt hệ số ma sát lên đến 1,7.

Lực ma sát luôn luôn có xu hướng làm chậm hoặc cản trở chuyển động (đối với ma sát động) hoặc xu hướng duy trì trạng thái nghỉ (đối với ma sát nghỉ) giữa hai bề mặt tiếp xúc. Ví dụ, khi một viên đá lướt trên băng, lực ma sát động làm giảm tốc độ của nó. Đối với ma sát nghỉ, lực ma sát cản trở sự chuyển động của bánh xe đang tăng tốc, nếu không có nó, bánh xe có thể trượt ngược về phía sau. Lưu ý rằng trong trường hợp này, lực ma sát không chống lại sự di chuyển của phương tiện mà chống lại sự trượt của lốp xe trên mặt đường.

Hệ số ma sát là một đại lượng được xác định thực nghiệm chứ không phải từ các phép tính lý thuyết. Các bề mặt thô ráp thường tạo ra hệ số ma sát cao hơn. Hầu hết các vật liệu khô khi kết hợp với nhau có hệ số ma sát từ 0,3 đến 0,7. Các giá trị ngoài khoảng này khá hiếm, nhưng Teflon có thể có hệ số ma sát thấp tới 0,04. Hệ số ma sát cũng có thể thay đổi trong các điều kiện đặc biệt như từ trường. Cao su trên các bề mặt khác thường có hệ số ma sát từ 1,0 đến 2,0.

Một số hệ số ma sát

Vật liệu	Ma sát nghỉ, ${\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_s$		Ma sát trượt, ${\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_k$
	Khô và sạch	Khô và sạch	Đã bôi trơn
Nhôm	0,61		0,47
Nhôm			1,5
Vàng			2,5
Bạch kim			3
Bạc			1,5
Gốm alumina				0,004 (ướt)
BAM (Hợp gốm AlMgB14)	0,04–0,05	0,02
Đồng thau	0,35-0,51	0,19	0,44
Gang	1,05		0,29
Gang	0,85		0,21
Bê tông	1	0,3 (ướt)	0,6-0,85	0,45-0,75 (ướt)
Bê tông	0,62
Đồng đỏ	0,68
Đồng đỏ	0,53		0,36
Kính	0,9-1		0,4
Hoạt dịch ổ khớp người		0,01		0,003
Băng	0,02-0,09
Polyethene	0,2	0,2
PTFE (Teflon)	0,04	0,04		0,04
Thép	0,03
Thép	0,04-0.2	0,04		0,04
Thép	0,74-0.80	0,16	0,42-0,62
Gỗ	0,2–0,6	0,2 (ướt)
Gỗ	0,25–0,5	0,2 (ướt)

Trong các điều kiện cụ thể, một số vật liệu có hệ số ma sát rất thấp. Ví dụ, graphite với cấu trúc tinh thể đặc biệt có hệ số ma sát dưới 0,01, được gọi là siêu trơn.

Ứng dụng của ma sát trong đời sống xã hội

Lực ma sát có vai trò quan trọng trong việc làm biến dạng các bề mặt, như trong các kỹ thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài, v.v. Nó cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ các phương tiện giao thông, chuyển hóa động năng của chúng thành nhiệt năng và một phần năng lượng của Trái Đất.

Nhiệt năng tạo ra từ lực ma sát còn được dùng để tạo ra lửa, chẳng hạn như trong đá lửa hoặc các công cụ tạo lửa của tổ tiên chúng ta, theo một số giả thuyết.

Giảm ma sát

Lực ma sát đôi khi có thể gây ra các tác động không mong muốn. Nó có thể cản trở chuyển động, làm hao tổn năng lượng và gây mài mòn các hệ thống cơ học đến mức vượt quá giới hạn thiết kế. Nhiệt năng sinh ra từ ma sát có thể dẫn đến hiện tượng chảy hoặc thay đổi chất liệu, làm thay đổi hệ số ma sát. Trong các tình huống này, có thể áp dụng những phương pháp giảm ma sát được liệt kê dưới đây.

Chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn

Sử dụng ổ bi để chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn giúp giảm ma sát hiệu quả trong các hệ thống cơ học.

Giảm ma sát tĩnh

Trước đây, để khởi động đoàn tàu hỏa, đầu tàu thường được kéo lùi để tạo khoảng cách giữa các toa, giúp quá trình kéo từng toa chỉ phải đối mặt với lực ma sát tĩnh của mỗi toa một cách riêng lẻ.

Thay đổi bề mặt

Việc áp dụng các chất bôi trơn như dầu, mỡ hoặc bột than chì giữa các bề mặt rắn giúp làm giảm hệ số ma sát.

Gần đây, hiện tượng siêu trơn đã được phát hiện ở than chì: một lượng nhỏ động năng được chuyển hóa thành nhiệt nhờ vào sự tương tác giữa các điện tử và/hoặc dao động của mạng nguyên tử.

Bôi trơn bằng âm thanh sử dụng sóng âm để giảm ma sát.