Ma sát

Trong vật lý học, ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt.

Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác. Việc chuyển hóa năng lượng thường là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng. Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt được chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.

Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các phân tử, nguyên tử.

Có thể xấp xỉ lực ma sát tỷ lệ với lực ép hai bề mặt lên nhau, F₀ vuông góc với hai bề mặt, và hệ số ma sát, k, giữa các vật liệu:

F = F₀k

Phân loại

Ma sát tĩnh

Lực ma sát tĩnh là lực chống lại các lực có xu hướng làm thay đổi vị trí của hai bề mặt so với nhau, khi hai bề mặt này chưa di chuyển so với nhau (nhờ cân bằng giữa lực muốn di chuyển và lực ma sát chống lại). Muốn di chuyển hai bề mặt với nhau, cần tạo ra lực lớn hơn lực ma sát tĩnh cực đại. Lực ma sát tĩnh cực đại được tính bằng:

F = F₀k_t

với

k_t là hệ số ma sát tĩnh.

Ma sát trượt

Lực ma sát trượt xảy ra khi hai bề mặt trượt lên nhau. Hệ số ma sát trượt thường nhỏ hơn hệ số ma sát tĩnh. Các bề mặt trượt lên nhau có thể là bề mặt rắn trên bề mặt rắn, bề mặt lỏng và khí trên bề mặt rắn, hoặc các kết hợp khác.

Khi các bề mặt trượt tương đối với nhau một quãng đường, l, dưới lực ma sát trượt, F (F = F₀k), phần động năng bị chuyển hóa thành năng lượng khác là:

U = F l''

Ma sát lăn

Ma sát lăn xuất hiện giữa các bề mặt lăn lên nhau, trong đó chuyển động của các bề mặt làm thay đổi điểm tiếp xúc giữa hai bề mặt, nhưng tại điểm tiếp xúc không có chuyển động tương đối song song với bề mặt (chỉ có chuyển động theo phương vuông góc với bề mặt).

Lực ma sát lăn có nguyên nhân chủ yếu nằm trong việc làm biến dạng các bề mặt theo phương vuông góc. Hệ số ma sát lăn thường nhỏ hơn rất nhiều hệ số ma sát trượt.

Ứng dụng ma sát

Lực ma sát có thể được ứng dụng để làm biến dạng các bề mặt như trong kỹ thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài, ... Nó được dùng để hãm tốc độ các phương tiện giao thông trên Trái Đất, chuyển động năng của phương tiện thành nhiệt năng và một phần động năng của Trái Đất.

Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát còn được ứng dụng để đánh lửa, trong đá lửa, hoặc các dụng cụ tạo lửa của người tiền sử như theo một số giả thuyết.

Giảm ma sát

Lực ma sát cũng gây nhiều ảnh hưởng đôi khi ngược với mong muốn. Nó ngăn trở chuyển động, gây thất thoát năng lượng. Nó mài mòn các hệ thống cơ học cho đến lúc các hệ thống này bị biến dạng vượt qua ngưỡng cho phép của thiết kế. Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát có thể gây chảy hoặc biến chất vật liệu, thay đổi hệ số ma sát. Trong các trường hợp như vậy, có thể áp dụng các phương pháp làm giảm ma sát liệt kê dưới đây.

Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn

Các vòng bi, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn, giúp giảm đáng kể ma sát trong các hệ thống cơ học.

Giảm ma sát tĩnh

Đối với các đoàn tàu hỏa trước đây, khi khởi động, đầu tàu được đẩy giật lùi, tạo khe hở giữa các toa tàu, trước khi tiến. Động tác này giúp đầu tàu kéo từng toa tàu một, chỉ phải chống lại lực ma sát tĩnh của mỗi toa một lúc.

Thay đổi bề mặt

Việc sử dụng các chất bôi trơn, như dầu mỡ hay bột than chì, giữa các bề mặt rắn có tác dụng giảm hệ số ma sát.

Hiện tượng siêu trơn vừa được khám phá đối với than chì: một lượng rất nhỏ động năng bị chuyển thành nhiệt năng nhờ vào tương tác giữa các điện tử và/hoặc dao động mạng nguyên tử. Bôi trơn âm học dùng âm thanh để tạo ra tương tác giảm ma sát.

Tham khảo

Lực điện từ

Gourt Home::Gourt :: Ma sát