Lực ma sát là đại lượng vật lý ngăn cản mọi chuyển động của cơ thể. Nó xảy ra, như một quy luật, khi các vật thể chuyển động ở thể rắn, lỏng và khí. Các loại lực ma sát khác nhau đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người, vì chúng ngăn chặn sự gia tăng quá mức tốc độ của các cơ thể.
Phân loại lực ma sát
Trong trường hợp chung, tất cả các loại lực ma sát đều được mô tả bằng ba dạng: lực ma sát trượt, lăn và nghỉ. Đầu tiên là tĩnh, hai là động. Ma sát khi dừng lại ngăn cản cơ thể bắt đầu chuyển động, đến lượt mình, khi trượt, ma sát tồn tại khi cơ thể cọ xát với bề mặt của cơ thể khác trong quá trình chuyển động của nó. Ma sát lăn xảy ra khi vật tròn chuyển động. Hãy lấy một ví dụ. Một ví dụ nổi bật của loại (lực ma sát lăn) là chuyển động của bánh xe ô tô trên đường nhựa.
Bản chất của lực ma sát là sự tồn tại của các khuyết tật cực nhỏ giữa bề mặt cọ xát của hai vật thể. Vì lý do này, lực kết quả tác động lênmột vật chuyển động hoặc bắt đầu chuyển động, bao gồm tổng hợp lực của phản lực pháp tuyến của giá đỡ N, có phương vuông góc với bề mặt của các vật tiếp xúc và của lực ma sát F. Lực ma sát này có phương song song với bề mặt tiếp xúc và ngược lại với chuyển động của cơ thể.
Ma sát giữa hai chất rắn
Khi xem xét vấn đề các loại lực ma sát khác nhau, người ta nhận thấy các dạng sau đây đối với hai vật rắn:
- Lực ma sát có phương song song với bề mặt đỡ.
- Hệ số ma sát phụ thuộc vào bản chất của các bề mặt tiếp xúc, cũng như vào tình trạng của chúng.
- Lực ma sát tối đa tỷ lệ thuận với lực pháp tuyến hoặc phản lực tác dụng giữa các bề mặt tiếp xúc.
- Đối với các vật giống nhau, lực ma sát lớn hơn trước khi vật bắt đầu chuyển động và sau đó giảm khi vật bắt đầu chuyển động.
- Hệ số ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và thực tế không phụ thuộc vào tốc độ trượt.
Luật
Tổng hợp tài liệu thí nghiệm về các định luật chuyển động, chúng tôi đã thiết lập được các định luật cơ bản sau về lực ma sát:
- Lực cản trượt giữa hai vật tỷ lệ với lực tác dụng pháp tuyến giữa chúng.
- Khả năng chống chuyển động giữa các vật thể cọ xát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa chúng.
Để chứng minh định luật thứ hai, chúng ta có thể đưa ra ví dụ sau: nếu bạn lấy một khối và di chuyển nó bằng cách trượt trên bề mặt, thì lực cần thiết cho một chuyển động đósẽ giống nhau khi khối nằm trên bề mặt với cạnh dài của nó và khi nó đứng ở cuối.
Các định luật liên quan đến các loại lực ma sát khác nhau trong vật lý được phát hiện vào cuối thế kỷ 15 bởi Leonard da Vinci. Sau đó, chúng bị lãng quên trong một thời gian dài, và chỉ đến năm 1699, chúng mới được phát hiện lại bởi kỹ sư người Pháp Amonton. Kể từ đó, luật ma sát mang tên anh ấy.
Tại sao lực ma sát lại lớn hơn lực trượt khi nghỉ?
Khi xem xét một số loại lực ma sát (nghỉ và trượt), cần lưu ý rằng lực ma sát tĩnh luôn nhỏ hơn hoặc bằng tích của hệ số ma sát tĩnh và phản lực của giá đỡ. Hệ số ma sát được xác định bằng thực nghiệm đối với các vật liệu cọ xát này và được nhập vào các bảng thích hợp.
Lực động được tính giống như lực tĩnh. Chỉ trong trường hợp này, hệ số ma sát được sử dụng đặc biệt để trượt. Hệ số ma sát thường được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp Μ (mu). Do đó, công thức chung cho cả hai lực ma sát là: Ftr=ΜN, trong đó N là phản lực hỗ trợ.
Bản chất của sự khác biệt giữa các loại lực ma sát này vẫn chưa được xác định chính xác. Tuy nhiên, hầu hết các nhà khoa học tin rằng lực ma sát tĩnh lớn hơn lực ma sát trượt, bởi vì khi các vật thể ở trạng thái nghỉ tương đối với nhau trong một thời gian, các liên kết ion hoặc vi lượng của các điểm riêng lẻ của bề mặt có thể hình thành giữa các bề mặt của chúng. Những yếu tố này gây ra sự gia tăng tĩnhchỉ báo.
Ví dụ về một số loại lực ma sát và biểu hiện của chúng là pít-tông trong xi-lanh của động cơ ô tô, được "hàn" vào xi-lanh nếu động cơ không hoạt động trong một thời gian dài.
Thân trượt ngang
Hãy lấy phương trình chuyển động của một vật mà dưới tác dụng của ngoại lực Ftrong, bắt đầu chuyển động dọc theo bề mặt bằng cách trượt. Trong trường hợp này, các lực sau đây tác động lên cơ thể:
- Fv- ngoại lực;
- Ftr- lực ma sát ngược hướng với lực Fv;
- N là phản lực của giá đỡ, có giá trị tuyệt đối bằng trọng lượng của vật P và hướng lên bề mặt, tức là ở góc vuông với nó.
Có tính đến hướng của tất cả các lực, chúng ta viết định luật thứ hai của Newton cho trường hợp chuyển động này: Fv- Ftr=ma, trong đó m - khối lượng vật, a - gia tốc chuyển động. Biết rằng Ftr=ΜN, N=P=mg, với g là gia tốc rơi tự do, ta được: Fv- Μmg=ma. Khi đó, biểu thị gia tốc mà vật trượt chuyển động, ta được: a=Fin/ m - Μg.
Chuyển động của một vật cứng trong chất lỏng
Khi xem xét những dạng lực ma sát nào tồn tại, người ta nên đề cập đến một hiện tượng quan trọng trong vật lý, đó là sự mô tả cách một vật rắn chuyển động trong chất lỏng. Trong trường hợp này, chúng ta đang nói về ma sát khí động học, được xác định tùy thuộc vào tốc độ của cơ thể trong chất lỏng. Có hai loại chuyển động:
- Khimột vật cứng chuyển động với tốc độ thấp, người ta nói về chuyển động tầng. Lực ma sát trong chuyển động tầng tỉ lệ với vận tốc. Một ví dụ là định luật Stokes cho các vật thể hình cầu.
- Khi chuyển động của một cơ thể trong chất lỏng xảy ra với tốc độ cao hơn một giá trị ngưỡng nhất định, thì các xoáy từ các dòng chất lỏng bắt đầu xuất hiện xung quanh cơ thể. Những xoáy này tạo ra một lực bổ sung cản trở chuyển động và kết quả là lực ma sát tỷ lệ với bình phương tốc độ.
Bản chất của lực ma sát lăn
Khi nói về các loại lực ma sát, người ta thường gọi lực ma sát lăn là loại thứ ba. Nó biểu hiện khi một cơ thể lăn trên một bề mặt nào đó và sự biến dạng của cơ thể này và bề mặt đó xảy ra. Nghĩa là, trong trường hợp vật thể và bề mặt hoàn toàn không biến dạng, thì không có ích gì khi nói về lực ma sát lăn. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn.
Khái niệm hệ số ma sát lăn tương tự như đối với trượt. Vì không có sự trượt giữa các bề mặt của vật thể trong quá trình lăn, nên hệ số ma sát lăn nhỏ hơn nhiều so với khi trượt.
Yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số là độ trễ của cơ năng đối với loại lực ma sát lăn. Đặc biệt, bánh xe, tùy thuộc vào vật liệu mà nó được tạo ra, cũng như tải trọng mà nó mang, sẽ bị biến dạng đàn hồi trong quá trình chuyển động. Các chu kỳ biến dạng đàn hồi lặp đi lặp lại dẫn đến chuyển một phần cơ năng thành nhiệt năng. Ngoài ra, dohư hỏng, phần tiếp xúc của bánh xe và bề mặt đã có một số diện tích tiếp xúc hữu hạn.
công thức lực ma sát lăn
Nếu chúng ta áp dụng biểu thức cho mômen của lực làm quay bánh xe, thì chúng ta có thể nhận được rằng lực ma sát lăn là Ftr.k.=Μ k N / R, ở đây N là phản lực của gối tựa, R là bán kính của bánh xe, Μк -hệ số ma sát lăn. Do đó, lực ma sát lăn tỷ lệ nghịch với bán kính, điều này giải thích lợi thế của bánh lớn hơn bánh nhỏ.
Tỷ lệ nghịch của lực này với bán kính của bánh xe cho thấy rằng trong trường hợp hai bánh xe có bán kính khác nhau có cùng khối lượng và được làm bằng cùng một vật liệu, bánh xe có bán kính lớn hơn sẽ dễ dàng hơn chồi.
Tỉ lệ cán
Theo công thức của loại lực ma sát này, ta thu được hệ số ma sát lăn Μkcó thứ nguyên là chiều dài. Nó chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của các cơ quan tiếp xúc. Giá trị được xác định bằng tỷ số giữa hệ số ma sát lăn và bán kính, được gọi là hệ số lăn, tức là, Ck=Μk/ R là đại lượng không thứ nguyên.
Hệ số lăn Cknhỏ hơn đáng kể so với hệ số ma sát trượt Μtr. Do đó, khi trả lời câu hỏi loại lực ma sát nào là nhỏ nhất, chúng ta có thể gọi một cách an toàn là lực ma sát lăn. Nhờ thực tế này, việc phát minh ra bánh xe được coi là một bước tiến quan trọng trong tiến bộ công nghệ.nhân loại.
Tỷ lệ lăn là hệ thống cụ thể và phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- độ cứng của bánh xe và bề mặt (độ biến dạng của vật thể xảy ra trong quá trình chuyển động càng nhỏ thì hệ số lăn càng thấp);
- bán kính bánh xe;
- trọng lượng tác dụng lên bánh xe;
- diện tích bề mặt tiếp xúc và hình dạng của nó;
- nhớt ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và bề mặt;
- nhiệt độ cơ thể
