Lực ma sát nghỉ là gì? Công thức tính, ví dụ và bài tập có lời giải

Trong Bài 18: Lực ma sát (Vật lí 10, Kết nối tri thức), lực ma sát nghỉ là một trong ba loại lực ma sát học sinh cần nắm vững, bên cạnh ma sát trượt và ma sát lăn.

Đây là loại lực xuất hiện ngay cả khi vật chưa chuyển động, vì vậy rất dễ bị nhầm lẫn với ma sát trượt nếu chưa hiểu rõ bản chất. Việc nắm được khái niệm, điều kiện xuất hiện và công thức tính lực ma sát nghỉ sẽ giúp học sinh phân biệt chính xác loại lực này và vận dụng vào các bài tập thực tế.

Lực ma sát nghỉ là gì?

Theo sách giáo khoa Vật lí 10 (Kết nối tri thức), lực ma sát nghỉ là lực xuất hiện ở mặt tiếp xúc của một vật với bề mặt, khi vật có xu hướng chuyển động (trượt) nhưng vẫn đang đứng yên trên bề mặt đó. Lực ma sát nghỉ có phương nằm dọc theo bề mặt tiếp xúc (song song với mặt tiếp xúc), và có chiều ngược với chiều của ngoại lực (hoặc thành phần ngoại lực song song với mặt tiếp xúc) đang có xu hướng làm vật chuyển động.

Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa lực ma sát nghỉ và lực ma sát trượt: lực ma sát nghỉ chỉ tồn tại khi vật còn đứng yên; ngay khi vật bắt đầu trượt trên bề mặt, lực ma sát nghỉ biến mất và được thay thế bởi lực ma sát trượt.

Ở cấp độ vi mô, mọi bề mặt dù trông có vẻ nhẵn đến đâu cũng đều gồ ghề. Khi hai bề mặt tiếp xúc, các điểm nhô cao của chúng cài vào nhau, đồng thời tồn tại lực hút giữa các phân tử ở hai bề mặt. Chính hai yếu tố này tạo nên lực cản lại xu hướng trượt của vật, mà ta gọi là lực ma sát nghỉ.

Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi nào?

Lực ma sát nghỉ chỉ xuất hiện khi đồng thời thỏa mãn hai điều kiện:

1. Có ngoại lực tác dụng lên vật theo phương song song với bề mặt tiếp xúc

2. Vật vẫn đứng yên tương đối so với bề mặt đó.

Trong suốt thời gian vật còn đứng yên, lực ma sát nghỉ luôn có độ lớn bằng với ngoại lực tác dụng lên vật theo phương song song mặt tiếp xúc, để giữ cho vật ở trạng thái cân bằng (tổng hợp lực bằng 0). Và khi ngoại lực tăng dần, lực ma sát nghỉ cũng tăng theo để duy trì trạng thái cân bằng, cho đến khi đạt tới một giá trị lớn nhất gọi là lực ma sát nghỉ cực đại. Ngay sau thời điểm này, nếu ngoại lực tiếp tục tăng, vật sẽ bắt đầu trượt và ma sát nghỉ chuyển thành ma sát trượt.

Xem thêm: Lực ma sát là gì? Công thức, tác dụng và bài tập có đáp án chi tiết.

Công thức tính lực ma sát nghỉ

Trong quá trình vật còn đứng yên (trường hợp thông thường):

Độ lớn lực ma sát nghỉ bằng độ lớn của ngoại lực tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc: \(F_{msn}=F\)

Trong đó F là độ lớn ngoại lực (hoặc thành phần ngoại lực) tác dụng song song bề mặt tiếp xúc, tại thời điểm vật vẫn đang đứng yên.

Lực ma sát nghỉ đạt cực đại:

\(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\)

Trong suốt quá trình vật đứng yên, lực ma sát nghỉ không phải lúc nào cũng bằng giá trị cực đại \(F_{msn,\max}\). Giá trị này chỉ đạt được đúng vào thời điểm vật sắp bắt đầu trượt. Với mọi ngoại lực nhỏ hơn \(F_{msn,\max}\), lực ma sát nghỉ sẽ tự điều chỉnh để luôn bằng đúng ngoại lực đó.

Hệ số ma sát nghỉ của một số cặp bề mặt thường gặp:

(Số liệu tham khảo mang tính minh họa, giá trị thực tế có thể thay đổi tùy vật liệu cụ thể.)

Hệ số ma sát nghỉ giữa hai bề mặt luôn lớn hơn hoặc bằng hệ số ma sát trượt giữa chính hai bề mặt đó. Đây là lý do khi đẩy một vật nặng đứng yên, ta luôn cần một lực khá lớn để vật bắt đầu chuyển động, nhưng sau đó chỉ cần lực nhỏ hơn để duy trì chuyển động đều.

Ví dụ về lực ma sát nghỉ trong đời sống

Khi đi bộ hoặc đứng yên trên mặt đất, bàn chân tác dụng lực lên mặt đất theo phương song song với bề mặt tiếp xúc. Lực ma sát nghỉ xuất hiện giữa bàn chân và mặt đất giúp chân không bị trượt, nhờ đó cơ thể có thể giữ thăng bằng khi đứng hoặc di chuyển về phía trước một cách ổn định.

Một vật đặt trên mặt phẳng nghiêng có thể đứng yên nhờ lực ma sát nghỉ cân bằng với thành phần của trọng lực theo phương song song với mặt phẳng nghiêng. Khi tăng dần góc nghiêng, thành phần trọng lực này cũng tăng. Đến một giới hạn nhất định, lực ma sát nghỉ không còn đủ để giữ vật đứng yên và vật bắt đầu trượt xuống.

Khi xe tải tăng tốc hoặc phanh, thùng hàng đặt trên sàn xe có xu hướng trượt so với sàn. Lực ma sát nghỉ giữa đáy thùng và sàn xe chống lại xu hướng trượt này, giúp thùng hàng chuyển động cùng với xe và giữ được vị trí tương đối ổn định trên sàn.

Có thể quan sát lực ma sát nghỉ bằng một thí nghiệm đơn giản tại nhà. Đặt một cuốn sách lên mặt bàn rồi từ từ đẩy theo phương ngang. Ban đầu, dù đã tác dụng lực, cuốn sách vẫn đứng yên vì lực ma sát nghỉ cân bằng với lực đẩy. Khi tiếp tục tăng lực đẩy đến vượt quá giá trị ma sát nghỉ cực đại, cuốn sách sẽ bắt đầu trượt trên mặt bàn.

Xem thêm: Lực căng dây là gì? Công thức, cách tính và bài tập theo từng trường hợp.

Bài tập vận dụng về lực ma sát nghỉ

Bài 1: Một vật có khối lượng m = 2 kg đặt trên mặt sàn nằm ngang. Hệ số ma sát nghỉ giữa vật và sàn là \(\mu_{n}\) = 0,3. Người ta tác dụng lên vật một lực kéo F nằm ngang có độ lớn 4 N. Lấy g = 10 m/\(s^2\). Hỏi vật có bị trượt không? Tính độ lớn lực ma sát nghỉ tác dụng lên vật lúc này.

Phân tích đề bài

1. Dữ kiện đề cho: m = 2 kg; \(\mu_{n}\) = 0,3; F = 4 N (nằm ngang); g = 10 m/\(s^2\).

2. Thông tin cần tìm: vật có trượt hay không, độ lớn lực ma sát nghỉ.

→ Dạng bài: xác định lực ma sát nghỉ khi biết ngoại lực tác dụng lên vật đang đứng yên trên mặt ngang.

Kiến thức cần dùng

Trên mặt ngang, không có lực nào khác theo phương thẳng đứng nên áp lực \(N=m\cdot g\).

Lực ma sát nghỉ cực đại: \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\).

Nếu \(F\le F_{msn,\max}\) thì vật đứng yên và \(F_{msn,\max}=F\). Nếu \(F>F_{msn,\max}\) thì vật bắt đầu trượt.

Lời giải

Áp lực lên mặt sàn: \(N=m\cdot g\) = \(2\cdot10\) = 20 N.

Lực ma sát nghỉ cực đại: \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\)= \(0.3\cdot20\) = 6 N.

So sánh: F = 4 N \(<F_{msn,\max}\) = 6 N, nên vật vẫn đứng yên, chưa trượt.

Vì vật đứng yên nên lực ma sát nghỉ cân bằng với lực kéo \(<F_{msn}\) = F = 4 N.

Bài 2: Một thùng gỗ khối lượng m = 5 kg đặt trên sàn nhà nằm ngang, hệ số ma sát nghỉ cực đại giữa thùng và sàn là \(\mu_{n}\) = 0,4. Lấy g = 10 m/\(s^2\). Tính lực kéo nằm ngang tối thiểu cần tác dụng để thùng bắt đầu trượt.

Phân tích đề bài

1. Dữ kiện đề cho: m = 5 kg; μn = 0,4; g = 10 m/s².

2. Thông tin cần tìm: lực kéo tối thiểu để thùng bắt đầu trượt.

→ Dạng bài: tính lực ma sát nghỉ cực đại (ngưỡng lực làm vật bắt đầu trượt) khi biết hệ số ma sát nghỉ và khối lượng vật.

Kiến thức cần dùng

Áp lực trên mặt ngang: \(N=m\cdot g\).

Lực ma sát nghỉ cực đại: \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\).

Vật chỉ bắt đầu trượt khi ngoại lực vượt qua \(F_{msn,\max}\), nên lực kéo tối thiểu để bắt đầu trượt chính bằng \(F_{msn,\max}\).

Lời giải

Áp lực lên sàn: \(N=m\cdot g\) = \(5\cdot10\)= 50 N.

Lực ma sát nghỉ cực đại: \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\) = \(0.4\cdot50\) = 20 N.

Vậy lực kéo nằm ngang tối thiểu để thùng bắt đầu trượt là 20 N.

Lưu ý khi ôn tập: Khi giải bài tập, cần xác định đúng vật đang ở trạng thái đứng yên (dùng công thức \(F_{msn}=F\) hoặc \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\)) hay đã chuyển động (dùng công thức ma sát trượt \(F_{mst}=\mu_{t}\cdot N\)với hệ số ma sát trượt \(\mu_{t}\)). Nhầm lẫn giữa hai hệ số ma sát nghỉ và ma sát trượt là lỗi phổ biến nhất khiến học sinh tính sai kết quả.

Kết luận

Lực ma sát nghỉ là lực xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi vật có xu hướng trượt nhưng vẫn đứng yên, với độ lớn luôn bằng ngoại lực tác dụng cho đến khi đạt giá trị cực đại \(F_{msn,\max}=\mu_{n}\cdot N\). Việc phân biệt rõ lực ma sát nghỉ với lực ma sát trượt, cùng với việc nắm chắc công thức tính lực ma sát nghỉ cực đại, sẽ giúp học sinh lớp 10 giải quyết chính xác các dạng bài tập về lực ma sát nghỉ trong chương trình Vật lí 10.