Mỗi chúng ta đều quen thuộc với biểu hiện của lực ma sát. Thật vậy, bất kỳ chuyển động nào trong cuộc sống hàng ngày, dù là đi bộ của người hay di chuyển phương tiện đều không thể thực hiện được nếu không có sự tham gia của lực lượng này. Trong vật lý, người ta thường nghiên cứu ba loại lực ma sát. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một trong số chúng, chúng ta sẽ tìm hiểu ma sát tĩnh là gì.
Thanh trên bề mặt nằm ngang
Trước khi trả lời các câu hỏi, lực ma sát tĩnh là gì và bằng bao nhiêu, chúng ta hãy xem xét một trường hợp đơn giản với một thanh nằm trên mặt phẳng nằm ngang.
Hãy phân tích những lực nào tác dụng lên thanh. Đầu tiên là trọng lượng của chính vật phẩm đó. Hãy ký hiệu nó bằng chữ P. Nó được hướng thẳng đứng xuống dưới. Thứ hai, đây là phản lực N. Nó hướng thẳng đứng lên trên. Định luật thứ hai của Newton cho trường hợp đang được xem xét sẽ được viết dưới dạng sau:
ma=P - N.
Dấu trừ ở đây phản ánh hướng ngược lại của các vectơ phản lực trọng lượng và hỗ trợ. Vì khối ở trạng thái nghỉ nên giá trị của a bằng không. Cái sau có nghĩa là:
P - N=0=>
P=N.
Phản ứng của sự hỗ trợ cân bằng trọng lượng của cơ thể và bằng nó về giá trị tuyệt đối.
Ngoại lực tác dụng lên thanh nằm ngang
Bây giờ chúng ta hãy thêm một lực tác động nữa vào tình huống được mô tả ở trên. Giả sử rằng một người bắt đầu đẩy một khối dọc theo một bề mặt nằm ngang. Chúng ta hãy ký hiệu lực này bằng chữ F. Người ta có thể nhận thấy một tình huống đáng kinh ngạc: nếu lực F nhỏ, thì bất chấp tác dụng của nó, thanh vẫn tiếp tục nằm yên trên bề mặt. Trọng lượng của vật và phản lực của giá đỡ đều hướng vuông góc với bề mặt nên hình chiếu ngang của chúng bằng không. Nói cách khác, lực P và N không thể chống lại F. Trong trường hợp đó, tại sao thanh vẫn đứng yên và không chuyển động?
Rõ ràng là phải có một lực hướng vào lực F. Lực này là lực ma sát tĩnh. Nó hướng vào F dọc theo một bề mặt nằm ngang. Nó hoạt động trong khu vực tiếp xúc giữa cạnh dưới của thanh và bề mặt. Hãy biểu thị nó bằng ký hiệu Ft. Định luật Newton cho phép chiếu ngang sẽ được viết là:
F=Ft.
Như vậy, môđun của lực ma sát tĩnh luôn bằng giá trị tuyệt đối của ngoại lực tác dụng lên mặt nằm ngang.
Bắt đầu chuyển động thanh
Để viết ra công thức về ma sát tĩnh, chúng ta hãy tiếp tục thí nghiệm đã bắt đầu trong các đoạn trước của bài viết. Ta sẽ tăng giá trị tuyệt đối của ngoại lực F. Thanh sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ trong một thời gian, nhưng sẽ có lúc nó bắt đầu di chuyển. Lúc này lực ma sát tĩnh sẽ đạt giá trị cực đại.
Để tìm giá trị lớn nhất này, lấy một thanh khác giống hệt thanh đầu tiên và đặt nó lên trên. Diện tích tiếp xúc của thanh với bề mặt không thay đổi, nhưng trọng lượng của nó tăng lên gấp đôi. Thực nghiệm người ta thấy rằng lực F khi tách thanh ra khỏi bề mặt cũng tăng gấp đôi. Thực tế này giúp chúng ta có thể viết công thức sau cho lực ma sát tĩnh:
Ft=µs P.
Tức là, giá trị lớn nhất của lực ma sát hóa ra tỷ lệ với trọng lượng của vật P, trong đó tham số µsđóng vai trò là hệ số tỷ lệ. Giá trị µsđược gọi là hệ số ma sát tĩnh.
Vì trọng lượng cơ thể trong thí nghiệm bằng phản lực hỗ trợ N nên công thức của Ftcó thể được viết lại như sau:
Ft=µs N.
Không giống như biểu thức trước, biểu thức này luôn có thể được sử dụng, ngay cả khi cơ thể ở trên mặt phẳng nghiêng. Môđun của lực ma sát tĩnh tỷ lệ thuận với phản lực hỗ trợ mà bề mặt tác dụng lên cơ thể.
Nguyên nhân vật lý của lực Ft
Câu hỏi tại sao ma sát tĩnh lại xảy ra rất phức tạp và đòi hỏi sự tiếp xúc giữa các vật thể ở cấp độ vi mô và cấp độ nguyên tử.
Nói chung, có hai nguyên nhân vật lý của lựcFt:
- Tương tác cơ học giữa đỉnh và đáy.
- Tương tác hóa lý giữa các nguyên tử và phân tử của các cơ thể.
Dù bất kỳ bề mặt nào nhẵn bóng đến đâu, nó đều có những điểm bất thường và không đồng nhất. Về cơ bản, những điểm không đồng nhất này có thể được biểu diễn dưới dạng các đỉnh và đáy cực nhỏ. Khi đỉnh của một cơ thể rơi vào khoang của cơ thể khác, sự ghép nối cơ học xảy ra giữa các cơ thể này. Một số lượng lớn các khớp nối cực nhỏ là một trong những lý do giải thích cho sự xuất hiện của ma sát tĩnh.
Nguyên nhân thứ hai là sự tương tác vật lý và hóa học giữa các phân tử hoặc nguyên tử tạo nên cơ thể. Người ta biết rằng khi hai nguyên tử trung hòa tiến lại gần nhau, một số tương tác điện hóa có thể xảy ra giữa chúng, ví dụ, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực hoặc tương tác van der Waals. Tại thời điểm bắt đầu chuyển động, thanh buộc phải vượt qua những tương tác này để tách khỏi bề mặt.
Tính năng của cường độ Ft
Ở trên nó đã được ghi nhận lực ma sát tĩnh tối đa bằng bao nhiêu, và hướng tác dụng của nó cũng được chỉ ra. Ở đây chúng tôi liệt kê các đặc điểm khác của đại lượng Ft.
Ma sát nghỉ không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc. Nó được xác định duy nhất bởi phản ứng của hỗ trợ. Diện tích tiếp xúc càng lớn thì độ biến dạng của các đỉnh và đáy vi mô càng nhỏ, nhưng số lượng của chúng càng lớn. Thực tế trực quan này giải thích tại sao Fttlớn nhất sẽ không thay đổi nếu thanh được lật sang cạnh với thanh nhỏ hơnkhu vực.
Ma sát nghỉ và ma sát trượt có cùng bản chất, được mô tả bằng cùng một công thức, nhưng công thức thứ hai luôn nhỏ hơn công thức thứ nhất. Ma sát trượt xảy ra khi khối bắt đầu chuyển động dọc theo bề mặt.
Lực Ftlà một đại lượng không xác định trong hầu hết các trường hợp. Công thức được đưa ra ở trên cho nó tương ứng với giá trị lớn nhất của Fttại thời điểm thanh bắt đầu di chuyển. Để hiểu rõ hơn thực tế này, dưới đây là đồ thị sự phụ thuộc của lực Ftvào tác động bên ngoài F.
Có thể thấy rằng khi tăng F, lực ma sát tĩnh tăng tuyến tính, đạt cực đại, sau đó giảm khi cơ thể bắt đầu chuyển động. Trong quá trình chuyển động, không thể nói về lực Ftnữa, vì nó được thay thế bằng lực ma sát trượt.
Cuối cùng, tính năng quan trọng cuối cùng của sức mạnh Ftlà nó không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển (ở tốc độ tương đối cao, Ft giảm).
Hệ số ma sát µs
Vì µsxuất hiện trong công thức tính môđun ma sát, nên có một vài từ cần nói về nó.
Hệ số ma sát µslà một đặc tính riêng của hai bề mặt. Nó không phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể, nó được xác định bằng thực nghiệm. Ví dụ, đối với cặp cây - cây, dao động từ 0,25 đến 0,5 tùy thuộc vào loại cây và chất lượng xử lý bề mặt của thân xát. Đối với bề mặt gỗ phủ sáp trêntuyết ướt µs=0,14 và đối với các khớp của con người, hệ số này có giá trị rất thấp (≈0,01).
Bất kể giá trị của µsđối với cặp vật liệu đang xét, hệ số ma sát trượt tương tự µksẽ luôn là nhỏ hơn. Ví dụ: khi trượt một cái cây trên cây, nó bằng 0,2 và đối với khớp của con người, nó không vượt quá 0,003.
Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét giải pháp của hai bài toán vật lý mà chúng ta có thể áp dụng kiến thức đã học.
Thanh trên mặt nghiêng: tính lực Ft
Nhiệm vụ đầu tiên khá đơn giản. Giả sử rằng một khối gỗ nằm trên một bề mặt gỗ. Khối lượng của nó là 1,5 kg. Bề mặt nghiêng một góc 15oso với đường chân trời. Cần xác định lực ma sát tĩnh nếu biết rằng thanh không chuyển động.
Điểm bắt buộc với vấn đề này là nhiều người bắt đầu bằng cách tính toán phản lực của giá đỡ, sau đó sử dụng dữ liệu tham khảo cho hệ số ma sát µs, sử dụng cách trên công thức xác định giá trị lớn nhất của Ft. Tuy nhiên, trong trường hợp này, Ftkhông phải là cực đại. Môđun của nó chỉ bằng với ngoại lực có xu hướng làm chuyển động thanh từ vị trí của nó xuống mặt phẳng. Lực này là:
F=mgsin (α).
Khi đó lực ma sát Ftsẽ bằng F. Thay số liệu vào bằng nhau ta được đáp số: Lực ma sát tĩnh trên mặt phẳng nghiêng Ft=3,81 newtons.
Thanh trên bề mặt nghiêng: tính toángóc nghiêng tối đa
Bây giờ chúng ta hãy giải quyết vấn đề sau: một khối gỗ nằm trên một mặt phẳng nghiêng bằng gỗ. Giả sử hệ số ma sát bằng 0,4, cần tìm góc nghiêng α lớn nhất của mặt phẳng so với đường chân trời, lúc đó thanh sẽ bắt đầu trượt.
Trượt sẽ bắt đầu khi hình chiếu của trọng lượng cơ thể lên mặt phẳng bằng lực ma sát tĩnh cực đại. Hãy viết điều kiện tương ứng:
F=Ft=>
mgsin (α)=µs mgcos (α)=>
tg (α)=µs=>
α=arctan (µs).
Thay giá trị µs=0, 4 vào phương trình cuối cùng, ta được α=21, 8o.
