Lý thuyết Lực ma sát Vật Lí 10 Kết nối tri thức: công thức, bài tập

1. Lực ma sát là gì?

Khi em đẩy một chiếc hộp nặng trên sàn, hộp không trượt ngay, và khi đã trượt thì em vẫn phải đẩy liên tục mới giữ được tốc độ. Có một lực vô hình “bám” giữa đáy hộp và mặt sàn, chống lại sự trượt. Đó chính là lực ma sát.

Lực ma sát luôn nằm trong mặt phẳng tiếp xúc giữa hai vật và có chiều chống lại chuyển động (hoặc xu hướng chuyển động) của vật so với bề mặt tiếp xúc. Chương trình Vật Lí 10 (Kết nối tri thức) tập trung vào hai loại: ma sát nghỉ và ma sát trượt. Ma sát lăn chỉ nhắc đến khi nói về ứng dụng.

2. Lực ma sát nghỉ

Định nghĩa: lực ma sát nghỉ tác dụng lên mặt tiếp xúc khi vật có xu hướng chuyển động nhưng chưa chuyển động.

• Phương: song song với mặt tiếp xúc.
• Chiều: ngược với chiều xu hướng chuyển động của vật.
• Độ lớn: luôn bằng thành phần lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc (nên tăng dần khi lực kéo tăng), cho đến một giá trị cực đại F_{msn max}.
• Khi lực kéo vượt F_{msn max}, vật bắt đầu trượt và ma sát chuyển sang ma sát trượt.

Điều dễ gây nhầm: ma sát nghỉ không có công thức cố định như μN. Muốn biết độ lớn của nó, ta phải dùng điều kiện cân bằng (vật đứng yên thì hợp lực bằng 0). Chỉ riêng giá trị cực đại mới xấp xỉ μ_nN.

3. Lực ma sát trượt

Định nghĩa: lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt trên bề mặt của vật khác, cản trở sự trượt đó.

Đặc điểm

• Điểm đặt: trên vật, tại mặt tiếp xúc; phương song song với mặt tiếp xúc; chiều ngược chiều chuyển động tương đối.
• Độ lớn phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt (nhẵn hay nhám, khô hay ướt), không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.
• Khi áp lực lên mặt tiếp xúc tăng thì lực ma sát trượt tăng theo tỉ lệ thuận.
• Trong phạm vi bài học, coi gần đúng ma sát trượt không phụ thuộc tốc độ trượt.

Công thức

F_ms = μ · N

• F_ms: độ lớn lực ma sát trượt (N).
• μ: hệ số ma sát trượt (không có đơn vị), phụ thuộc cặp vật liệu và tình trạng hai bề mặt.
• N: độ lớn áp lực (phản lực pháp tuyến) của mặt lên vật (N).

Hình dưới tóm tắt các lực tác dụng lên vật trượt trên mặt phẳng ngang.

Áp lực N tính thế nào?

Sai lầm lớn nhất của học sinh là luôn viết N = mg. Hãy xác định N bằng cách chiếu các lực lên phương vuông góc với mặt tiếp xúc:

Tình huống	Áp lực N
Vật trên mặt phẳng ngang, không có lực thẳng đứng khác	N = mg
Vật trên mặt phẳng nghiêng góc α so với phương ngang	N = mg·cosα
Kéo vật bằng lực F hợp góc α hướng lên trên so với phương ngang	N = mg − F·sinα
Đẩy vật bằng lực F hợp góc α hướng xuống dưới so với phương ngang	N = mg + F·sinα

4. So sánh ma sát nghỉ và ma sát trượt

Tiêu chí	Ma sát nghỉ	Ma sát trượt
Khi nào xuất hiện	Vật có xu hướng chuyển động, chưa trượt	Vật đang trượt
Độ lớn	Bằng lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc, tối đa Fmsn max	Fms = μN
Chiều	Ngược xu hướng chuyển động	Ngược chiều chuyển động
Vai trò thường gặp	Giúp ta đi bộ, giữ đồ vật trên tay, xe không trôi dốc	Làm vật chậm dần, sinh nhiệt, mài mòn

Đồ thị dưới đây cho thấy diễn biến khi ta tăng dần lực kéo một vật nằm yên trên sàn: ma sát nghỉ tăng theo lực kéo, đạt cực đại rồi vật trượt và ma sát giảm nhẹ về giá trị gần như không đổi.

Mẹo nhớ: “Nghỉ thì bằng lực kéo, trượt thì bằng μN.”

5. Phương pháp giải bài toán có lực ma sát

1. Vẽ vật, đủ các lực: trọng lực P, phản lực N, lực kéo/đẩy, lực ma sát (ngược chiều chuyển động).
2. Chọn trục Ox theo hướng chuyển động, Oy vuông góc với mặt tiếp xúc.
3. Viết định luật II Newton: P + N + F + F_ms = m·a (dạng vectơ).
4. Chiếu lên Oy để tìm N (thường a_y = 0). Chiếu lên Ox để tìm a hoặc lực chưa biết.
5. Thay F_ms = μN và kết hợp công thức động học (v = v₀ + at, v² − v₀² = 2as).

6. Ví dụ có lời giải chi tiết

Ví dụ 1: Xe đạp phanh gấp

Người và xe đạp có khối lượng tổng cộng 86 kg đang đi trên đường ngang với v₀ = 4 m/s thì hãm phanh khoá bánh, xe trượt 2 m rồi dừng. Tìm lực gây ra gia tốc và hệ số ma sát trượt (g = 10 m/s²).

Giải. Chọn chiều dương là chiều chuyển động. Gia tốc: a = (v² − v₀²)/(2s) = (0 − 16)/(2·2) = −4 m/s².

Lực gây ra gia tốc là lực ma sát trượt của mặt đường lên lốp xe: F = ma = 86·(−4) = −344 N. Dấu trừ cho biết lực ngược chiều chuyển động, độ lớn 344 N.

Đường ngang nên N = mg = 860 N. Suy ra μ = F_ms/N = 344/860 = 0,4.

Ví dụ 2: Kéo vật bằng lực nằm ngang

(Ví dụ tự đặt.) Vật 5 kg nằm trên sàn ngang, μ = 0,2. Kéo bằng lực ngang 20 N. Tính gia tốc (g = 10 m/s²).

Giải. N = mg = 50 N nên F_ms = 0,2·50 = 10 N. Theo Ox: F − F_ms = ma, suy ra a = (20 − 10)/5 = 2 m/s².

Ví dụ 3: Kéo vật bằng lực chéo

(Ví dụ tự đặt.) Vật 10 kg trên sàn ngang, μ = 0,2, bị kéo bằng lực 50 N hợp với phương ngang góc 30° hướng lên. Tính gia tốc (g = 10 m/s², cos30° ≈ 0,866, sin30° = 0,5).

Giải. Theo Oy: N + F·sin30° = mg nên N = 100 − 25 = 75 N. Do đó F_ms = 0,2·75 = 15 N.

Theo Ox: F·cos30° − F_ms = ma, tức 43,3 − 15 = 10a, suy ra a ≈ 2,83 m/s². Lưu ý N nhỏ hơn mg vì lực kéo “nhấc” vật lên một phần.

Ví dụ 4: Trượt đều trên mặt phẳng nghiêng

(Ví dụ tự đặt.) Một khối gỗ trượt đều xuống mặt phẳng nghiêng góc 30°. Tìm hệ số ma sát trượt.

Giải. Trượt đều nên hợp lực bằng 0. Dọc mặt nghiêng: mg·sin30° = F_ms = μ·mg·cos30°. Khối lượng triệt tiêu, nên μ = tan30° ≈ 0,58. Kết quả tổng quát: trượt đều khi μ = tanα.

7. Lực ma sát trong đời sống

Ma sát có lợi

• Nhờ ma sát nghỉ giữa đế giày và mặt đất mà ta bước đi không bị trượt.
• Ma sát giữa má phanh và vành (hoặc lốp và mặt đường) giúp xe giảm tốc, dừng lại.
• Phấn bám được trên bảng, đinh vít giữ chặt trong gỗ, dây buộc không tuột.
• Thiên thạch bay vào khí quyển bị cháy sáng vì ma sát với không khí.

Ma sát có hại

• Làm mòn các chi tiết máy, sinh nhiệt gây hao phí năng lượng (quạt điện, động cơ).
• Cản trở chuyển động, làm vật chậm lại.
• Đường đất ướt mưa làm ta dễ trượt ngã vì ma sát trượt bất lợi.

Cách điều chỉnh: muốn tăng ma sát thì làm bề mặt nhám (khía rãnh lốp xe, đế giày); muốn giảm thì bôi trơn bằng dầu mỡ, dùng ổ bi để thay ma sát trượt bằng ma sát lăn.

8. Trắc nghiệm có giải thích

Câu 1. Đẩy vật trượt thẳng đều trên sàn ngang bằng lực ngang 300 N. Lực ma sát trượt có độ lớn: A. lớn hơn 300 N; B. nhỏ hơn 300 N; C. bằng 300 N; D. bằng trọng lượng vật.

Đáp án C. Chuyển động thẳng đều thì a = 0, hai lực cùng phương ngược chiều cân bằng nhau. A, B làm vật có gia tốc; D sai vì ma sát bằng μ·mg chứ không bằng mg.

Câu 2. Vật trượt 48 m thì dừng, lực ma sát bằng 0,06 lần trọng lượng, g = 10 m/s². Tính vận tốc ban đầu.

Đáp án ≈ 7,589 m/s. a = −0,06g = −0,6 m/s². Từ 0 − v₀² = 2as suy ra v₀ = √(2·0,6·48) = √57,6 ≈ 7,589 m/s.

Câu 3. Tình huống nào lực ma sát có hại: viết bảng, đi bộ trên đường nhựa, đi trên đường đất trời mưa, thêm ổ bi vào trục quay?

Đáp án: đi trên đường đất trời mưa. Đất ướt làm ta trượt, ma sát giảm gây khó đi. Viết bảng và đi bộ cần ma sát nghỉ; ổ bi là biện pháp giảm ma sát chứ không phải tình huống có hại.

Câu 4. Xe 5 tấn trên đường ngang, μ = 0,2, g = 10 m/s². Tính lực ma sát.

Đáp án 10 000 N. N = mg = 5000·10 = 50 000 N, F_ms = 0,2·50 000 = 10 000 N. Bẫy: quên đổi 5 tấn = 5000 kg.

Câu 5. Ô tô chạy 54 km/h thì tắt máy, μ lăn = 0,01, g = 10 m/s². Tính thời gian đến lúc dừng.

Đáp án 150 s. 54 km/h = 15 m/s; a = −μg = −0,1 m/s²; t = (0 − 15)/(−0,1) = 150 s.

Muốn luyện thêm, xem bộ câu hỏi tại: 20 câu trắc nghiệm Lực ma sát.

9. Lỗi sai thường gặp

• Cho rằng diện tích tiếp xúc lớn thì ma sát trượt lớn. Thực tế không phụ thuộc diện tích.
• Dùng F_ms = μN cho cả vật đang đứng yên. Với ma sát nghỉ phải dùng điều kiện cân bằng.
• Luôn lấy N = mg, quên trường hợp mặt nghiêng hoặc có lực kéo chéo.
• Vẽ lực ma sát cùng chiều chuyển động. Ma sát luôn chống lại chuyển động tương đối (riêng khi đi bộ, ma sát nghỉ tác dụng lên chân hướng về phía trước, vì chân có xu hướng trượt về sau).
• Quên đổi đơn vị: tấn → kg, km/h → m/s.

10. Bài luyện tập tự giải

1. Kéo thùng 40 kg trượt đều trên sàn ngang, μ = 0,25, g = 10 m/s². Tính lực kéo ngang.
2. Vật 2 kg trượt trên sàn ngang với v₀ = 6 m/s, μ = 0,3. Tính quãng đường và thời gian đến khi dừng.
3. Vật 10 kg nằm yên trên sàn, ma sát nghỉ cực đại bằng 0,5 trọng lượng. Đẩy bằng lực ngang 40 N thì vật có chuyển động không? Lực ma sát khi đó bao nhiêu?

Xem đáp án

1. Trượt đều nên F = F_ms = μmg = 0,25·40·10 = 100 N.

2. a = −μg = −3 m/s². s = v₀²/(2·3) = 36/6 = 6 m; t = 6/3 = 2 s.

3. F_{msn max} = 0,5·100 = 50 N > 40 N nên vật không chuyển động; ma sát nghỉ bằng lực đẩy, tức 40 N.

Tài liệu học tiếp

• Giải SGK Vật Lí 10 Bài 18: Lực ma sát
• Sách bài tập Vật Lí 10 Bài 18: Lực ma sát
• Bài 17: Trọng lực và lực căng
• Bài 19: Lực cản và lực nâng
• Lý thuyết Vật Lí 10 – Kết nối tri thức

Câu hỏi thường gặp

Lực ma sát trượt có phụ thuộc diện tích tiếp xúc không?

Không. Độ lớn lực ma sát trượt phụ thuộc vào vật liệu, tình trạng bề mặt tiếp xúc và áp lực N, nhưng không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.

Công thức tính lực ma sát trượt là gì?

F_ms = μ.N, trong đó μ là hệ số ma sát trượt và N là độ lớn áp lực của mặt lên vật. Trên mặt phẳng ngang không có lực thẳng đứng khác thì N = mg.

Ma sát nghỉ có tính bằng μN được không?

Không tính trực tiếp như vậy. Khi vật đứng yên, ma sát nghỉ bằng thành phần lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc. Chỉ giá trị cực đại của nó xấp xỉ μ_n.N.

Khi nào hệ số ma sát bằng tan của góc nghiêng?

Khi vật trượt đều xuống mặt phẳng nghiêng góc α: mg.sinα = μ.mg.cosα nên μ = tanα.

Bài học liên quan

• Câu nào sau đây nói về sự rơi tự do là đúng? Đáp án và giải thích
• Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất? Khối cầu hay khí động học
• Bi A khối lượng gấp 4 lần bi B, thả rơi và ném ngang cùng lúc: bi nào chạm đất trước?
• Ô tô 1 tấn chạy 60 km/h, xe tải 2 tấn: so sánh động năng, động lượng
• Ý nghĩa của ngẫu lực, mômen ngẫu lực phụ thuộc vào đại lượng nào?
• Sức cản của không khí khi vật rơi: vì sao vật nặng, nhỏ coi là rơi tự do