Lực ma sát trượt là gì? Đặc điểm, công thức tính, ví dụ và bài tập

Lực ma sát trượt là một loại lực quen thuộc, xuất hiện trong nhiều hiện tượng hằng ngày và là nội dung quan trọng của chương trình Vật lí 10. Khi kéo một chiếc ghế trên sàn hay khi bánh xe bị trượt lúc phanh gấp, lực ma sát trượt đều tác dụng và cản trở chuyển động tương đối giữa các bề mặt.

Do lực ma sát nghỉ và lực ma sát trượt đều xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc, học sinh thường dễ nhầm lẫn hai loại lực này. Bài viết trình bày khái niệm, điều kiện xuất hiện, đặc điểm, công thức tính lực ma sát trượt cùng các ví dụ và bài tập vận dụng.

Khái niệm lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật khi một vật trượt trên bề mặt của vật kia. Lực này có tác dụng cản trở chuyển động trượt tương đối giữa hai bề mặt.

Về phương diện năng lượng, trong quá trình vật trượt, lực ma sát làm chuyển hóa một phần cơ năng thành các dạng năng lượng khác, chủ yếu là nhiệt năng và một phần nhỏ năng lượng âm thanh.

Phân biệt lực ma sát nghỉ và lực ma sát trượt

• Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi vật chịu tác dụng của ngoại lực nhưng vẫn đứng yên tương đối so với bề mặt tiếp xúc.

• Lực ma sát trượt xuất hiện khi giữa hai bề mặt đã có chuyển động trượt tương đối.

Điều kiện xuất hiện lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật đang trượt trên bề mặt của vật khác. Nếu vật chưa trượt, dù đang chịu tác dụng của ngoại lực, lực ma sát tại bề mặt tiếp xúc vẫn là lực ma sát nghỉ.

Ở cấp độ vi mô, các bề mặt tiếp xúc không hoàn toàn phẳng và nhẵn. Khi quan sát ở kích thước rất nhỏ, trên bề mặt tồn tại nhiều chỗ gồ ghề, mấp mô.

Khi hai bề mặt trượt lên nhau, các chỗ gồ ghề tương tác, va chạm và cản trở chuyển động tương đối. Từ đó hình thành lực ma sát trượt.

Ví dụ minh họa:

• Khi đẩy một chiếc hộp nặng đặt trên sàn, ban đầu hộp có thể vẫn đứng yên vì lực ma sát nghỉ cân bằng với lực đẩy.

• Khi lực đẩy đủ lớn để vượt quá giá trị cực đại của lực ma sát nghỉ, hộp bắt đầu trượt. Từ thời điểm đó, lực ma sát tác dụng lên hộp là lực ma sát trượt.

Đặc điểm của lực ma sát trượt

Điểm đặt: Lực ma sát trượt có điểm đặt tại vùng tiếp xúc giữa hai vật.

Phương: Lực có phương song song với bề mặt tiếp xúc.

Chiều: Lực ma sát trượt có chiều ngược với chiều chuyển động tương đối của vật đang xét so với bề mặt tiếp xúc.

Độ lớn: Độ lớn của lực ma sát trượt phụ thuộc vào vật liệu và trạng thái của hai bề mặt tiếp xúc, chẳng hạn bề mặt nhẵn hay nhám, khô hay ướt.

Sự phụ thuộc này được đặc trưng bởi hệ số ma sát trượt.

Trong phạm vi khảo sát của chương trình phổ thông, độ lớn lực ma sát trượt không phụ thuộc đáng kể vào:

• Diện tích tiếp xúc biểu kiến giữa hai bề mặt.

• Tốc độ chuyển động của vật trong phạm vi tốc độ thông thường.

Đây là đặc điểm cần ghi nhớ để tránh nhầm lẫn trong các câu hỏi lí thuyết và bài tập trắc nghiệm.

Công thức tính lực ma sát trượt

Độ lớn của lực ma sát trượt được xác định bằng:

\[F_{mst}=\mu_{t}N\]

Trong đó:

• \(F_{mst}\): độ lớn của lực ma sát trượt, đơn vị niutơn (N).

• \(\mu_{t}\): hệ số ma sát trượt, không có đơn vị.

• \(N\): độ lớn của lực ép vuông góc giữa hai bề mặt tiếp xúc, đơn vị niutơn (N).

Hệ số μt phụ thuộc vào vật liệu và trạng thái của hai bề mặt tiếp xúc.

Vật trên mặt phẳng ngang

Nếu vật đặt trên mặt phẳng ngang và theo phương thẳng đứng chỉ chịu trọng lực cùng phản lực của mặt phẳng: \(N = P = mg\)

Khi đó: \(F_{mst} = \mu_t mg\)

Ví dụ: Một vật có khối lượng \(m = 2\,\text{kg}\) trượt trên mặt sàn nằm ngang. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là \(\mu_t = 0,3\). Lấy \(g = 10\,\text{m/s}^2\). Xác định độ lớn lực ma sát trượt.

Lời giải

Lực ép vuông góc:

\(N = mg = 2 \times 10 = 20\) N

Lực ma sát trượt:

\(F_{mst} = \mu_t N = 0,3 \times 20 = 6\) N

Đáp án: 6 N.

Lực ma sát trượt trong thực tế

Lực ma sát trượt xuất hiện trong nhiều hoạt động hằng ngày.

Khi bánh xe bị trượt trên mặt đường trong quá trình phanh gấp, lực ma sát trượt giữa lốp xe và mặt đường có tác dụng làm giảm tốc độ của xe.

Khi kéo một chiếc ghế trượt trên sàn, lực ma sát giữa chân ghế và mặt sàn cản trở chuyển động. Vì vậy, cần tác dụng lực kéo để duy trì chuyển động của ghế.

Bài tập vận dụng

Ba bài tập sau lần lượt vận dụng điều kiện cân bằng, định luật II Newton và công thức lực ma sát trượt để xác định các đại lượng liên quan.

Bài tập 1

Đề bài: Một thùng hàng có khối lượng 5 kg được kéo theo phương ngang và trượt đều trên mặt sàn nằm ngang. Hệ số ma sát trượt giữa thùng hàng và mặt sàn là \(\mu_t​=0,25\). Lấy \(g =10\,\text{m/s}^2\). Tính độ lớn lực kéo tác dụng lên thùng hàng.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định lực kéo khi vật chuyển động thẳng đều trên mặt phẳng ngang có ma sát.

• Dữ kiện: \(m = 5\) kg; \(\mu_t​=0,25\); \(g =10\,\text{m/s}^2\); vật trượt đều.

• Đại lượng cần tìm: Độ lớn lực kéo \(F_{\text{kéo}}\).

Kiến thức cần dùng

• Trên mặt phẳng ngang: \(N=mg\)

• Độ lớn lực ma sát trượt:

  \(F_{mst}​=\mu_t ​N\)

• Vì vật chuyển động thẳng đều nên gia tốc bằng 0, do đó hợp lực tác dụng lên vật bằng 0. Theo phương ngang, lực kéo cân bằng với lực ma sát trượt: \(F_{\text{kéo}} = F_{mst}\)

Lời giải

Độ lớn phản lực của mặt sàn tác dụng lên thùng hàng:

\(N=mg=5×10=50\) N

Độ lớn lực ma sát trượt:

\(F_{mst}​=\mu_t ​N=0,25\times 50=12,5\) N

Vì thùng hàng trượt đều nên lực kéo cân bằng với lực ma sát trượt:

\(F_{\text{kéo}} = F_{mst} = 12,5\) N

Bài tập 2

Đề bài: Một vật có khối lượng \(4\) kg đang trượt trên mặt sàn nằm ngang. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là \(\mu_t​=0,2\). Tác dụng lên vật một lực kéo theo phương ngang, cùng chiều chuyển động, có độ lớn \(F=15\) N. Lấy \(g =10\,\text{m/s}^2\). Tính gia tốc của vật.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Vận dụng định luật II Newton kết hợp với công thức tính lực ma sát trượt để xác định gia tốc.

• Dữ kiện: \(m=4\) kg; \(\mu_t​=0,2\); \(F=15\) N; \(g =10\,\text{m/s}^2\).

• Đại lượng cần tìm: Gia tốc \(a\) của vật.

Kiến thức cần dùng

• Trên mặt phẳng ngang:

  \(N=mg\)

• Độ lớn lực ma sát trượt: \(F_{mst}​=\mu_t ​N\)

• Theo định luật II Newton:

  \(F_{\text{hợp}}​=ma\)

• Vì lực kéo cùng chiều chuyển động còn lực ma sát trượt ngược chiều chuyển động nên:

  \(F_{\text{hợp}}=F−F_{mst}​\)

Lời giải

Độ lớn phản lực của mặt sàn tác dụng lên vật:

\(N=mg=4×10=40\) N

Độ lớn lực ma sát trượt:

\(F_{mst}​​=\mu_t ​N =0,2\times 40=8\) N

Hợp lực tác dụng lên vật theo phương ngang:

\(F_{\text{hợp}}=F−F_{mst}​=15−8=7\) N

Theo định luật II Newton:

\(a=\dfrac{m}{F_{\text{hợp}}}=\dfrac{4}{7}=1,75\,\text{m/s}^2\)

Đáp số: \(a=1,75\,\text{m/s}^2\).

Bài tập 3

Đề bài: Một vật có khối lượng \(1,5\) kg đang trượt trên mặt sàn nằm ngang. Lực ma sát trượt tác dụng lên vật có độ lớn \(3\) N. Lấy \(g =10\,\text{m/s}^2\). Tính hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt sàn.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định hệ số ma sát trượt khi biết độ lớn của lực ma sát.

• Dữ kiện: \(m=1,5\) kg;\(F_{mst}=3\)N; \(g =10\,\text{m/s}^2\).

• Đại lượng cần tìm: Hệ số ma sát trượt \(\mu_t\).

Kiến thức cần dùng

• Trên mặt phẳng ngang:

  \(\mu_t\)

• Độ lớn lực ma sát trượt: \(F_{mst}​=\mu_t ​N\).

  Suy ra:

  \(\mu_t=\dfrac{N}{F_{mst}}\)

Lời giải

Độ lớn phản lực của mặt sàn tác dụng lên vật:

\(N=mg=1,5×10=15\) N

Từ công thức \(F_{mst}​=\mu_t ​N\), suy ra:

\(\mu_{t}=\dfrac{N}{F_{mst}}=\dfrac{3}{15}=0,2\)

Vậy hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt sàn là: \(\mu_t​=0,2\)

Lưu ý khi giải bài tập lực ma sát trượt

Trước tiên, cần xác định trạng thái chuyển động của vật để lựa chọn đúng loại lực ma sát.

Nếu vật chưa trượt trên bề mặt, lực ma sát tác dụng có thể là lực ma sát nghỉ. Nếu vật đã trượt tương đối, lực tác dụng là lực ma sát trượt.

Các dữ kiện như “vật trượt đều” hoặc “vật chuyển động thẳng đều” còn cho biết hợp lực tác dụng lên vật bằng không.

Khi đó, cần kết hợp công thức: \(F_{mst} = \mu_t N\) với điều kiện cân bằng lực để xác định đại lượng cần tìm.

Kết luận

Lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt tương đối trên bề mặt của vật khác. Lực có phương song song với bề mặt tiếp xúc, chiều cản trở chuyển động tương đối và độ lớn được xác định bằng công thức \(F_{mst} = \mu_t N\).

Khi giải bài tập, cần xác định đúng trạng thái chuyển động, lực ép vuông góc và hệ số ma sát. Nắm vững những yếu tố này sẽ giúp học sinh phân tích lực chính xác và vận dụng hiệu quả kiến thức về lực ma sát trượt trong Vật lí 10.