Nếu ma sát đột nhiên biến mất, ta không thể bước đi, không cầm được cốc nước, không viết được chữ, nút dây tự tuột, đinh vít tự rơi ra khỏi gỗ và xe cộ không chạy cũng không phanh được. Ma sát thường bị coi là "kẻ cản trở" vì làm mòn máy, tốn nhiên liệu. Nhưng thật ra gần như mọi việc ta làm bằng tay chân đều dựa vào nó. Thí nghiệm tưởng tượng "thế giới không ma sát" là cách hay để thấy ma sát quan trọng đến đâu.
Bước đi: đẩy mặt đất nhờ ma sát
Muốn đi tới, bàn chân phải đẩy mặt đất về phía sau. Mặt đất đẩy lại người về phía trước — đó là định luật III Newton. Nhưng lực đẩy ngang này chỉ truyền được qua ma sát giữa đế giày và mặt đất. Không có ma sát, bàn chân đạp ra sau sẽ trượt ra sau, người đứng nguyên chỗ hoặc ngã sấp.
Người đứng trên mặt băng hoàn toàn trơn sẽ gặp đúng tình cảnh này. Cách duy nhất để di chuyển là ném một vật ra một hướng để bị đẩy theo hướng ngược lại, như phi hành gia ngoài không gian. Hay cởi giày ném đi.
Cả xe cộ cũng vậy. Bánh xe quay tròn tại chỗ nếu không có ma sát giữa lốp và đường. Xe đang chạy thì không phanh được, không rẽ được — nó cứ trượt thẳng theo quán tính tới khi đụng vật cản. Đó chính là thế giới của câu đố trượt trên hồ băng.
Cầm, nắm, giữ: bàn tay cần ma sát
Khi cầm cốc nước, các ngón tay ép vào thành cốc. Lực ép này tạo ra ma sát nghỉ hướng lên, cân bằng với trọng lượng cốc. Không có ma sát, ngón tay ép mạnh đến đâu cốc cũng tuột xuống — giống như cầm một cục xà phòng ướt, nhưng tệ hơn nhiều lần.
Hệ thần kinh của ta điều chỉnh lực ép rất tinh vi theo ma sát. Các nhà sinh lý học thần kinh như Roland Johansson (Thuỵ Điển) đã nghiên cứu từ thập niên 1980: khi cầm một vật trơn, bàn tay tự động ép mạnh hơn chỉ trong khoảng một phần mười giây, nhờ thụ thể cảm giác ở đầu ngón tay phát hiện các vi trượt nhỏ. Chúng ta "đo" hệ số ma sát bằng tay mà không hề biết.
Còn vân tay có giúp cầm chắc hơn không? Trực giác bảo có, nhưng một nghiên cứu năm 2009 của Peter Warman và Roland Ennos (Đại học Manchester) cho thấy trên bề mặt nhẵn và khô, vân tay thậm chí làm giảm diện tích tiếp xúc, tức giảm ma sát một chút. Các giả thuyết khác cho rằng vân tay giúp thoát nước khi tay ướt hoặc tăng độ nhạy cảm giác. Vai trò thật của vân tay vẫn còn được nghiên cứu.
Viết và vẽ: ma sát để lại dấu
- Bút chì: ma sát giữa lõi than chì và sợi giấy bóc từng lớp than chì bám lại trên giấy. Giấy quá trơn như giấy bóng, bút chì viết rất mờ.
- Phấn bảng: mặt bảng nhám cạo các hạt phấn bám lại.
- Bút bi: viên bi ở đầu bút cần ma sát với giấy để lăn và kéo mực ra. Viết bút bi trên mặt kính trơn, bi chỉ trượt mà không lăn, mực không ra.
- Tẩy: ma sát giữa cao su và giấy kéo các hạt than chì ra.
Không có ma sát, đầu bút trượt trên giấy mà không để lại gì.
Đinh, vít, nút thắt: ma sát giữ mọi thứ lại với nhau
| Vật | Ma sát giữ thế nào | Không có ma sát thì |
|---|---|---|
| Đinh trong gỗ | Thớ gỗ bị đinh ép ra, bóp chặt lấy thân đinh | Đinh tự tụt ra khi nghiêng |
| Vít, bu lông | Ma sát giữa các ren giữ vít không tự xoay lỏng | Vít tự xoay ra dưới lực rung |
| Nút dây | Các vòng dây ép vào nhau, ma sát chặn dây trượt | Mọi nút tự tuột |
| Vải dệt | Sợi đan chéo giữ nhau nhờ ma sát | Sợi trượt ra, vải rã thành đống sợi |
| Sách xếp trên giá | Ma sát giữa các cuốn và giá giữ chúng đứng | Sách trượt đổ khi giá hơi nghiêng |
| Dây đai, puli | Ma sát giữa dây và bánh truyền chuyển động | Dây trượt trên puli, máy không quay |
Có một ví dụ ấn tượng: quấn một sợi dây vài vòng quanh cột trụ. Một người giữ đầu dây với lực nhỏ có thể giữ được một vật rất nặng treo ở đầu kia. Lực giữ được tăng theo hàm mũ với số vòng quấn — đây là công thức capstan (còn gọi công thức Euler–Eytelwein), lý do thuỷ thủ quấn dây quanh cọc bích để neo tàu. Mỗi vòng quấn thêm nhân lực giữ lên nhiều lần.
Âm nhạc cũng cần ma sát
Cây vĩ của đàn violin, đàn nhị được xoa nhựa thông (colophane). Khi kéo vĩ, dây đàn bị ma sát nghỉ kéo theo vĩ một đoạn, rồi đột ngột trượt khỏi vĩ khi lực căng thắng ma sát, bật về, lại bị kéo theo... Chu kỳ "dính – trượt" (stick–slip) lặp lại hàng trăm lần mỗi giây tạo ra tiếng đàn. Không có nhựa thông, ma sát quá nhỏ, vĩ trượt trên dây mà không phát ra âm.
Cũng chu kỳ dính – trượt ấy tạo ra tiếng cửa kêu kẽo kẹt, tiếng phanh rít, tiếng giày rít trên sàn nhà thi đấu bóng rổ và cả tiếng ngón tay ướt miết quanh miệng ly thuỷ tinh.
Nơi ma sát gần như bằng không
Thế giới hoàn toàn không ma sát không tồn tại, nhưng có vài nơi gần như vậy:
- Ngoài vũ trụ: không có không khí cản, không có mặt đất để trượt. Phi hành gia làm việc ngoài trạm phải bám tay vịn và dùng dây an toàn mọi lúc, vì một cú đẩy nhẹ có thể khiến họ trôi đi không dừng.
- Mặt băng gần 0 °C có nước: hệ số ma sát rất thấp, đi bộ cực khó.
- Bàn đệm khí trong phòng thí nghiệm: vật trượt trên lớp khí mỏng.
- Siêu lỏng: heli-4 lỏng làm lạnh dưới khoảng 2,17 K chảy không có độ nhớt, có thể bò lên thành bình chứa. Đây là hiện tượng lượng tử, không xảy ra ở nhiệt độ thường.
Góc nhìn hôm nay: ma sát là bạn hay thù
Kỹ sư không tìm cách xoá bỏ ma sát, mà điều khiển nó: tăng ở nơi cần bám (lốp, phanh, đế giày, tay cầm), giảm ở nơi cần quay trơn (ổ trục, xi lanh, khớp nối). Hiểu điều đó giúp ta sửa nhiều việc trong nhà: vặn nắp lọ khó mở thì lót miếng cao su để tăng ma sát; ngăn kéo kẹt thì xoa sáp nến lên ray để giảm ma sát.
Một trò thử vui cho cả nhà: xen kẽ từng trang của hai cuốn sách dày như xen kẽ hai bộ bài, rồi thử kéo hai cuốn ra. Hàng trăm trang ép nhẹ lên nhau cộng lại ma sát lớn tới mức hai người lớn kéo cũng khó tách. Nhiều chương trình khoa học trên truyền hình đã làm thí nghiệm này với cả xe ô tô kéo.
Câu hỏi thường gặp
Nếu không có ma sát thì sao?
Ta không thể bước đi, không cầm nắm được đồ vật, không viết được chữ. Nút dây tự tuột, đinh vít rơi ra, vải rã sợi, xe không chạy và không phanh được. Mọi vật đang trượt sẽ trượt mãi tới khi đụng vật cản.
Vì sao đi bộ cần ma sát?
Vì muốn đi tới, bàn chân phải đẩy mặt đất về sau và nhận lại lực đẩy về trước. Lực ngang này chỉ truyền được qua ma sát. Không có ma sát, chân đạp ra sau sẽ trượt, người không tiến lên được.
Ma sát có lợi ở đâu trong đời sống?
Ma sát giúp đi lại, cầm nắm, phanh xe, giữ đinh vít, giữ nút dây, dệt vải, truyền chuyển động bằng dây đai, kéo vĩ đàn và viết bằng bút chì, bút bi. Hầu hết hoạt động hằng ngày đều cần ma sát.
Vì sao vĩ đàn violin phải xoa nhựa thông?
Nhựa thông tăng ma sát giữa vĩ và dây. Dây bị vĩ kéo theo rồi trượt bật về liên tục hàng trăm lần mỗi giây, gọi là chu kỳ dính trượt, tạo ra rung động và tiếng đàn. Không có nhựa thông, vĩ trượt mà không phát âm.
Hai cuốn sách xen kẽ trang có thật khó kéo ra không?
Có. Mỗi cặp trang chỉ ép nhẹ lên nhau, nhưng hàng trăm cặp cộng lại tạo ma sát rất lớn. Khi kéo, các trang bị kéo sát vào nhau hơn, lực ép và ma sát còn tăng thêm, khiến hai người lớn cũng khó tách ra.