Như chúng ta đã biết lực ma sát là là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt. (Nói đơn giản là các lực cản trở chuyển động của một vật, tạo ra bởi những vật tiếp xúc với nó, được gọi là lực ma sát.)
1. Phân loại
Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác. Việc chuyển hóa năng lượng thường là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng. Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt được chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các phân tử, nguyên tử.
Tất nhiên rồi lực ma sát là một yếu tố cực kì cần lưu tâm trong khi thiết kế máy. Hầu hết mọi cơ cấu, bộ phận chi tiết máy được thiết kế khi đã xem xét phân tích các thành phần có liên quan đến lực ma sát.
Lực ma sát có thể phân loại thành 3 loại chính là:
- Lực ma sát nghỉ
- Lực ma sát động
- Lực ma sát lăn
1.1 Ma sát nghỉ
Ma sát nghỉ (hay còn được gọi là ma sát tĩnh) là lực xuất hiện giữa hai vật tiếp xúc mà vật này có xu hướng chuyển động so với vật còn lại nhưng vị trí tương đối của chúng chưa thay đổi. Ví dụ như, lực ma sát nghỉ ngăn cản một vật định trượt (chuẩn bị trượt nhưng vị trí tương đối vẫn chưa thay đổi nhiều - thay đổi ít) trên bề mặt nghiêng. Hệ số của ma sát nghỉ, thường được ký hiệu là μt, thường lớn hơn so với hệ số của ma sát động. Lực ban đầu làm cho vật chuyển động thường bị cản trở bởi ma sát nghỉ
Một ví dụ khác về lực ma sát nghỉ là: lực ma sát nghỉ ngăn cản khiến cho bánh xe khi mới khởi động lăn không được nhanh như khi nó đang chạy. Mặc dù vậy khi bánh xe đang chuyển động, bánh xe vẫn chịu tác dụng của lực ma sát động. Cho nên lực ma sát nghỉ lớn hơn lực ma sát động.
Lực ma sát nghỉ giúp cho vật không bị tác dụng bởi lực khác.
Giá trị lớn nhất của lực ma sát nghỉ, khi vật bắt đầu chuyển động, hay ma sát nghỉ cực đại, được tính bằng công thức:
F = F0kt
với:
kt là hệ số ma sát tĩnh.
F0 là lực tác dụng mà vật tác dụng lên mặt phẳng
1.2 Ma sát động
Ma sát động xuất hiện khi một vật chuyển động so với vật còn lại và có sự cọ xát giữa chúng. Hệ số của ma sát động thường nhỏ hơn hệ số ma sát nghỉ. Mỗi loại ma sát động lại có một ký hiệu khác nhau:
Các loại ma sát động:
- Ma sát trượt xuất hiện khi hai vật thể trượt trên nhau. Lực ma sát trượt cản trở làm cho vật đó không trượt nữa. Ví dụ như đẩy một quyển sách trên mặt bàn
- Ma sát nhớt là sự tương tác giữa một vật thể rắn và một chất lỏng hoặc một chất khí, ví dụ như một vật thể di chuyển qua môi trường lỏng hoặc khí. Lực ma sát của không khí tác dụng lên máy bay hay của nước tác dụng lên người thợ lặn đều là các ví dụ về lực ma sát nhớt. Loại lực ma sát này không chỉ xuất hiện do sự cọ xát - trường hợp này tạo ra lực ma sát có phương trùng với tiếp tuyến của bề mặt tiếp xúc giống như lực ma sát trượt, mà nó còn xuất hiện khi có lực vuông góc với bề mặt tiếp xúc. Lực này góp một phần đáng kể (là một phần quan trọng khi vận tốc của vật thể đủ lớn) tạo nên ma sát nhớt. Chú ý rằng trong một số trường hợp, lực này sẽ nâng vật thể lên cao.
- Ma sát lăn là lực ngăn cản lại sự lăn của một bánh xe hay các vật có dạng hình tròn trên mặt phẳng bởi sự biến dạng của vật thể và/ hoặc của bề mặt(có thể cũng không nhất thiết là có dạng hình tròn). Lực ma sát lăn nhỏ hơn các lực ma sát động khác. Hệ số ma sát lăn thường có giá trị là 0,001. Ví dụ điển hình nhất của lực ma sát lăn là sự di chuyển của bánh các loại xe trên đường.
1.3 Ma sát trượt
Lực ma sát trượt là lực cản trở chuyển động của vật này so với vật khác. Lực ma sát xuất hiện giữa bề mặt tiếp xúc của hai vật và phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc, độ lớn của áp lực, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ của vật.
Biểu thức: Fmst= µ×N
Trong đó:
Fmst: độ lớn của lực ma sát trượt (N)
µ: hệ số ma sát trượt
N: Độ lớn áp lực (phản lực) (N)
Đặc điểm của ma sát trượt
Điểm đặt lên vật sát bề mặt tiếp xúc.
- Phương song song với bề mặt tiếp xúc.
- Chiều ngược với chiều chuyển động tương đối so với bề mặt tiếp xúc.
2. Mối quan hệ giữa hệ số ma sát nghỉ và hệ số ma sát động.
Hệ số ma sát có thể được xác định là một đại lượng không thứ nguyên (μ=F/N), là lực ma sát chia cho lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt tiếp xúc và có thể được đo bằng máy đo lực ma sát.
Nói chung, hệ số ma sát tĩnh lớn hơn hệ số ma sát động.
Hệ số ma sát tĩnh > hệ số ma sát động
Khi bạn đẩy một tải trọng đặt trên sàn, tải trọng đó sẽ không chuyển động nếu lực đẩy dưới một mức tải trọng nhất định nhưng khi vượt quá giới hạn ma sát tĩnh thì tải trọng đó sẽ bắt đầu chuyển động. Ngay khi tải bắt đầu chuyển động, lực chuyển sang ma sát động, làm cho tải nhẹ hơn. Nếu bạn minh họa nó bằng sơ đồ, nó sẽ trông giống hệt như hình bên dưới đây.
Hệ số ma sát được coi là gần đúng và lực ma sát thực tế xảy ra sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
<Những điều ảnh hưởng đến hệ số ma sát>
・Vật liệu bề mặt tiếp xúc
・Sự hiện diện của chất bôi trơn như dầu
・Kết cấu bề mặt (độ nhám bề mặt)
Ví dụ, bề mặt của một vật thể có những bất thường nhỏ và tình trạng thay đổi tùy thuộc vào loại và phương pháp gia công. Độ nhám bề mặt xác định mức độ không đồng đều và được giải thích chi tiết trong phần “Độ nhám bề mặt”.
3. Bảng hệ số ma sát của các vật liệu kim loại.
Sau đây xin giới thiệu đến các bạn bảng hệ số ma sát của các vật liệu kim loại và phi kim, có thể các bạn sẽ dùng đến để tham khảo khi tính toán thiết kế.
Berili
0.43
Paradi
0.65
Carbon
0.15
Bạc
0.32
Magie
0.34
Cadimi
0.67
Nhôm
0.82
Indi
0.32
Silic
0.58
Thiếc
0.29
Canxi
0.67
Antimon
0.26
Titan
0.59
Tellurium
0.35
Crom
0.53
Bali
0.89
Mangan
0.57
Xeri
0.50
Sắt
0.52
Tantalum
0.58
Coban
0.46
Vonfram
0.47
Niken
0.58
iridi
0.51
Đồng
0.46
Bạch kim
0.56
Kẽm
0.50
Vàng
0.54
Germani
0.66
Tali
0.68
Selen
0.43
Chì
0.52
Zirconi
0.55
Bismuth
0.40
Columbi
0.57
Thori
0.82
Molypden
0.47
Uranium
0.50
Rhodium
0.54
4. Bảng hệ số ma sát của các vật liệu phi kim.
Nhựa Polyetylene mật độ cao phân tử
0.06 ～ 0.3
Keo, nhựa chất độn Nilon-acetal
0.15 ～ 0.4
Tấm nhiều lớp phenolic có chứa chất độn
0.1 ～ 0.4
PTFE(Teflon) với chất độn
0.05 ～ 0.32
Nhựa Epoxy kết kợp sợi đồng/ chì PTFE(Teflon)
0.08 ～ 0.3
Polyimide có chứa chất độn
0.15 ～ 0.5
Polyme oxybenzoyl có chứa chất độn
0.15 ～ 0.5
Vật liệu hỗn hợp đồng-graphit
0.15 ～ 0.3
PTFE(Teflon) kết hợp với đồng xanh gia cường
0.04 ～ 0.25
Vật liệu làm từ sợi PTFE(Teflon)
0.04 ～ 0.25
Than chì cacbon
0.15 ～ 0.4
Than chì điện
0.15 ～ 0.35
Ni-graphit, sắt-graphit
0.2 ～ 0.4
Vật liệu composite Ta-Mo-MoS2
0.1 ～ 0.2
Vật liệu WC kết hợp coban
0.25 ～ 0.4
Gỗ
0.2-0.6
CaF2 kết hợp ceramic
0.2 ～ 0.5
5. Bảng tham khảo giá trị gần đúng (giá trị an toàn) hệ số ma sát khô của sự kết hợp các cặp vật liệu khác nhau
Lực ma sát khô xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các vật rắn khi có sự dịch chuyển tương đối với nhau. Trong đó giữa hai bề mặt vật rắn không có sự tồn tại của chất lỏng hay khí xung quanh. Phạm vi của hệ số ma sát khô được biết tùy thuộc vào sự kết hợp của các vật liệu thành phần. Thông thường, hệ số ma sát khô có giá trị từ 0,15 trở lên. Sau đây là bảng tham khảo giá trị gần đúng (giá trị an toàn) hệ số ma sát khô của sự kết hợp các cặp vật liệu khác nhau.
Cặp vật liệu Hệ số ma sát Thép dẻo－Thép dẻo 0.4 Thép dẻo－Đồng 0.4 Thép dẻo－Nhôm 0.36 Thép dẻo－Đồng thau 0.46 Thép dẻo－Gang 0.2 Thép dẻo－Hợp kim nhôm đồng xanh 0.2 Thép dẻo－Hợp kim đồng pha chì 0.18 Thép dẻo－Hợp kim kelmet 0.18 Thép dẻo－Thủy tinh 0.51 Thép dẻo－Cacbon 0.21 Thép dẻo－cao su 0.9 Thép dẻo－Nhựa florua 0.04 Thép dẻo－Nhựa polystyrene 0.3 Thép cứng－Than chì 0.15 Thép cứng－Nhựa florua 0.06 Thép cứng－Nhựa Nilon 0.24 Thép cứng－Thủy tinh 0.48 Thép cứng－Đá Ruby 0.24 Thép cứng－Đá Sa phia 0.35 Thép cứng－Molypden disulfua 0.15 Đồng－Đồng 1.4 Bạc－Bạc 1.4 Bạc－Thép dẻo 0.3 Thủy tinh－Thủy tinh 0.7 Pha lê－Pha lê 0.8 Đá Ruby－Đá Ruby 0.15 Đá Sa phia－Đá Sa phia 0.15 Nhựa florua－Nhựa florua 0.04 Nhựa polystyrene－Nhựa polystyrene 0.5 Nhựa Nilon－Nhựa Nilon 0.2 Gỗ－Gỗ 0.3 Sợi bông－Sợ Bông 0.6 Vải lụa－Vải lụa 0.25 Giấy－cao su 1 Gỗ－Gạch nung 0.6 Kim Cương－Kim Cương 0.1 Ván trượt－Tuyết 0.05
Trên đây là nội dung bài viết về lực ma sát. Mọi ý kiến đóng góp xin để lại ở phần bình luận bên dưới bài viết. Xin cảm ơn và hẹn gặp lại các bạn tại những bài viết tiếp theo.
Tác giả: Nguyễn Văn Hòa
