Ma sát là lực xuất hiện ở chỗ hai bề mặt tiếp xúc, chống lại sự trượt của mặt này trên mặt kia. Có ba loại chính: ma sát nghỉ giữ vật đứng yên khi bị đẩy nhẹ, ma sát trượt cản vật đang trượt, và ma sát lăn cản bánh xe, viên bi đang lăn. Ma sát nghỉ thường lớn nhất, ma sát lăn nhỏ nhất — vì thế đẩy cho tủ bắt đầu nhích khó hơn giữ nó trượt, và lắp bánh xe vào thì nhẹ hẳn.
Ma sát đến từ đâu
Nhìn bằng mắt, mặt bàn gỗ đánh bóng có vẻ phẳng. Dưới kính hiển vi, nó là một vùng đồi núi lởm chởm. Khi đặt hai bề mặt lên nhau, chúng chỉ chạm nhau ở các "đỉnh đồi" nhỏ, gọi là điểm tiếp xúc thật. Diện tích tiếp xúc thật có thể chỉ bằng một phần rất nhỏ diện tích nhìn thấy.
Ở những điểm tiếp xúc ấy, các phân tử của hai mặt hút nhau, thậm chí dính vào nhau. Muốn trượt, phải bẻ gãy các mối dính đó và đẩy các đỉnh gồ ghề vượt qua nhau. Đó là nguồn gốc của ma sát. Ép mạnh hơn thì các đỉnh bị bẹp xuống, số điểm tiếp xúc tăng lên, ma sát tăng theo. Đây là lý do ma sát tỉ lệ với lực ép giữa hai mặt.
Ngành khoa học nghiên cứu ma sát, mài mòn và bôi trơn có tên riêng là tribology (ma sát học), được đặt tên trong một báo cáo của chính phủ Anh năm 1966.
Ba loại ma sát
| Loại | Khi nào xuất hiện | Độ lớn | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Ma sát nghỉ | Vật bị đẩy nhưng chưa trượt | Bằng đúng lực đẩy, tối đa μn·N | Chiếc tủ không nhúc nhích khi đẩy nhẹ; bàn chân không trượt khi bước đi |
| Ma sát trượt | Vật đang trượt trên mặt kia | μt·N, gần như không đổi theo tốc độ | Thùng hàng kéo lê trên sàn; bánh xe bó phanh trượt trên đường |
| Ma sát lăn | Vật lăn không trượt | Nhỏ hơn rất nhiều so với hai loại trên | Bánh xe, ổ bi, khúc gỗ lăn |
Trong bảng, N là lực ép vuông góc giữa hai mặt (trên mặt phẳng ngang thì bằng trọng lượng vật), μ là hệ số ma sát — một con số không có đơn vị, phụ thuộc vào cặp vật liệu.
Ma sát nghỉ: lực "thông minh" nhất
Ma sát nghỉ có một tính chất lạ: nó tự điều chỉnh. Đẩy chiếc tủ với lực 50 N, ma sát nghỉ đáp lại đúng 50 N. Đẩy 100 N, nó đáp 100 N. Tủ cứ đứng yên cho tới khi lực đẩy vượt quá giá trị tối đa μn·N. Vượt qua ngưỡng đó, tủ bắt đầu trượt và ma sát chuyển sang loại trượt, thường nhỏ hơn.
Đó là lý do quen thuộc: khó nhất là lúc làm cho vật bắt đầu nhích. Khi đã trượt, giữ cho nó trượt tiếp nhẹ hơn. Ai từng kê lại tủ quần áo đều biết cảm giác "giật" khi tủ đột ngột chạy.
Ma sát nghỉ cũng là lực giúp ta đi bộ, xe chạy được. Khi bánh xe lăn không trượt, điểm tiếp xúc giữa lốp và mặt đường đứng yên trong khoảnh khắc chạm đất, nên lực đẩy xe đi chính là ma sát nghỉ, không phải ma sát trượt.
Các định luật ma sát cổ điển
Leonardo da Vinci đã ghi chép về ma sát trong sổ tay từ khoảng cuối thế kỷ 15, nhưng những ghi chép này không được công bố thời đó. Năm 1699, nhà vật lý Pháp Guillaume Amontons phát biểu lại các quy luật, và năm 1785 Charles-Augustin de Coulomb bổ sung. Ngày nay sách giáo khoa gọi chung là các định luật Amontons–Coulomb:
- Ma sát tỉ lệ với lực ép giữa hai mặt. Thùng nặng gấp đôi thì ma sát gấp đôi.
- Ma sát hầu như không phụ thuộc diện tích tiếp xúc nhìn thấy. Viên gạch đặt nằm hay đặt đứng có ma sát gần như nhau, vì diện tích tiếp xúc thật mới quyết định, mà nó chỉ phụ thuộc lực ép.
- Ma sát trượt gần như không phụ thuộc tốc độ trượt (trong khoảng tốc độ thông thường).
Đây là quy luật thực nghiệm gần đúng, không phải định luật cơ bản như định luật Newton. Cao su, vật liệu mềm, bề mặt ướt hay tốc độ rất cao đều có thể làm chúng sai lệch. Lốp xe đua rộng bản chính là ví dụ: với cao su mềm, diện tích lại có ảnh hưởng.
Vì sao lăn dễ hơn trượt
Khi bánh xe lăn, các điểm trên vành không cọ xát lên mặt đường mà lần lượt "đặt xuống" rồi "nhấc lên". Không có các mối dính bị bẻ gãy liên tục như khi trượt. Ma sát lăn chủ yếu đến từ việc bánh xe và mặt đường bị biến dạng nhẹ ở chỗ tiếp xúc, rồi hồi lại không hoàn toàn, mất một ít năng lượng thành nhiệt.
Hệ số cản lăn của bánh tàu hoả bằng thép trên đường ray thép vào khoảng 0,001–0,002; lốp ô tô trên đường nhựa khoảng 0,01. So với ma sát trượt cỡ 0,5–0,8 của cao su trên đường khô, con số này nhỏ hơn hàng chục đến hàng trăm lần. Đó là lý do bánh xe là một trong những phát minh quan trọng nhất của loài người.
Ma sát biến động năng thành nhiệt
Xoa hai bàn tay vào nhau thấy ấm. Phanh xe đạp xuống dốc dài, sờ vành thấy nóng. Ma sát luôn chuyển một phần năng lượng chuyển động thành nhiệt. Đó là cách phanh hoạt động: má phanh cọ vào đĩa hoặc vành, biến động năng của xe thành nhiệt và toả ra không khí.
Đây cũng là lý do không có cỗ máy chuyển động vĩnh cửu: dù bôi trơn tốt đến đâu, luôn có một phần năng lượng bị ma sát lấy đi.
Đo hệ số ma sát bằng mặt phẳng nghiêng
Có một cách đo ma sát nghỉ rất đơn giản. Đặt vật lên một tấm ván phẳng, nâng dần một đầu ván lên. Tới một góc nghiêng θ nào đó, vật bắt đầu trượt. Khi đó hệ số ma sát nghỉ bằng tan θ.
- Vật bắt đầu trượt ở góc 20° → μn ≈ 0,36.
- Ở góc 30° → μn ≈ 0,58.
- Ở góc 45° → μn = 1.
Không cần biết khối lượng vật, vì khối lượng triệt tiêu trong phép tính. Thí nghiệm này có hướng dẫn chi tiết ở mục thí nghiệm tại nhà.
Góc nhìn hôm nay: ma sát quanh ta, lúc cần tăng lúc cần giảm
| Cần tăng ma sát | Cách làm | Cần giảm ma sát | Cách làm |
|---|---|---|---|
| Đi trên sàn ướt | Giày đế cao su có rãnh, thảm chống trượt | Động cơ, bản lề | Dầu, mỡ bôi trơn |
| Phanh xe | Má phanh vật liệu ma sát cao, giữ khô | Kéo vật nặng | Dùng bánh xe, con lăn |
| Cầm vợt, cầm dụng cụ | Quấn cán, bột chống trơn | Đáy chảo | Lớp chống dính |
| Đường đèo mùa mưa | Mặt đường nhám, rải đá dăm | Ván trượt tuyết | Sáp trượt |
Muốn tìm hiểu thêm, chương ma sát trong sách Vật lý 10 và chương 6 giáo trình miễn phí College Physics của OpenStax có bảng hệ số ma sát và ví dụ tính. Những ai thích lịch sử có thể tìm các bản vẽ thí nghiệm ma sát trong sổ tay của Leonardo da Vinci (Codex Arundel, lưu ở Thư viện Anh).
Câu hỏi thường gặp
Ma sát là gì?
Ma sát là lực xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật, chống lại sự trượt tương đối giữa chúng. Nó sinh ra do các điểm gồ ghề siêu nhỏ trên hai bề mặt bám vào nhau và cọ xát.
Có mấy loại lực ma sát?
Có ba loại chính: ma sát nghỉ (vật chưa trượt), ma sát trượt (vật đang trượt) và ma sát lăn (vật lăn không trượt). Thông thường ma sát nghỉ tối đa lớn nhất, ma sát lăn nhỏ nhất.
Vì sao đẩy vật lúc đầu khó hơn lúc đã trượt?
Vì ma sát nghỉ tối đa thường lớn hơn ma sát trượt. Khi vật đứng yên, các điểm tiếp xúc bám chặt hơn; khi đã trượt, chúng không kịp bám sâu nên lực cản nhỏ đi.
Ma sát có phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc không?
Với vật cứng thông thường, gần như không. Ma sát phụ thuộc vào lực ép và cặp vật liệu. Với vật liệu mềm như cao su lốp xe thì diện tích có ảnh hưởng nhất định.
Lực ma sát có lợi hay có hại?
Cả hai. Ma sát giúp ta đi, cầm nắm, phanh xe và giữ đinh vít trong gỗ. Nhưng nó cũng làm mòn máy móc, tốn nhiên liệu và sinh nhiệt, nên trong máy người ta tìm cách giảm nó bằng bôi trơn và ổ bi.