Ma sát là bạn hay thù: đế giày, phanh xe đạp và sàn nhà lau ướt

Ma sát là lực cản xuất hiện khi hai bề mặt cọ vào nhau hoặc sắp trượt lên nhau. Nó vừa là bạn vừa là thù: nhờ ma sát ta mới đi bộ, cầm bút, phanh được xe đạp; cũng vì ma sát mà máy móc mòn, nóng và tốn sức. Kỹ sư không tìm cách xoá bỏ ma sát, mà tìm cách tăng nó ở chỗ cần bám và giảm nó ở chỗ cần trượt.

Ma sát đến từ đâu

Nhìn bằng mắt, mặt bàn gỗ đã bào nhẵn trông phẳng lì. Dưới kính hiển vi, nó lồi lõm như một dãy núi tí hon. Khi hai bề mặt đặt lên nhau, chúng chỉ thật sự chạm nhau ở những "đỉnh núi" nhỏ. Ở những điểm chạm đó, các phân tử của hai bề mặt bám vào nhau, móc vào nhau. Muốn trượt, bạn phải bẻ gãy hoặc kéo tuột những chỗ bám ấy, và đó chính là ma sát.

Ma sát phụ thuộc chủ yếu vào hai điều:

• Chất liệu của hai bề mặt. Cao su trên xi măng bám rất chặt. Thép trên băng thì trơn tuột.
• Lực ép hai bề mặt vào nhau. Ép càng mạnh, ma sát càng lớn. Kéo một thùng rỗng nhẹ hơn kéo thùng đầy sách.

Điều bất ngờ là với nhiều vật rắn khô, diện tích tiếp xúc lại ảnh hưởng khá ít. Đặt viên gạch nằm hay dựng đứng thì lực cần để kéo nó trượt gần như bằng nhau. Leonardo da Vinci đã ghi nhận điều này trong sổ tay từ khoảng năm 1500, gần hai trăm năm trước khi nhà khoa học Pháp Guillaume Amontons công bố lại vào năm 1699. Quy luật này chỉ đúng gần đúng; với lốp xe cao su mềm thì chuyện phức tạp hơn.

Ba kiểu ma sát bạn gặp mỗi ngày

Kiểu	Khi nào xuất hiện	Ví dụ
Ma sát nghỉ	Vật chưa trượt, lực đẩy chưa đủ lớn	Tủ sách đứng yên dù bạn đã đẩy; chân không trượt khi bạn bước
Ma sát trượt	Hai bề mặt đang trượt lên nhau	Kéo lê thùng hàng; má phanh ép vào vành xe đạp
Ma sát lăn	Vật lăn trên bề mặt	Bánh xe, viên bi, con lăn dưới tủ lạnh

Ma sát nghỉ thường lớn hơn ma sát trượt. Bạn từng đẩy một chiếc tủ nặng chưa? Lúc đầu phải dồn hết sức nó mới nhích, nhưng khi đã trượt rồi thì đẩy tiếp nhẹ hơn hẳn. Ma sát lăn thì nhỏ hơn ma sát trượt rất nhiều lần, đó là lý do loài người phát minh ra bánh xe, và vì sao vali có bánh xe kéo nhẹ tênh trong khi vali không bánh phải xách.

Khi ma sát là bạn

Đi bộ và chạy

Mỗi bước chân, bạn đẩy mặt đất về phía sau. Ma sát giữa đế giày và mặt đất giữ chân không trượt, và mặt đất đẩy bạn về phía trước. Không có ma sát, bạn sẽ đứng tại chỗ quẫy chân như trên một tấm băng lau dầu. Đế giày thể thao có rãnh và làm từ cao su là để tăng bám.

Phanh xe đạp

Bóp phanh, hai má phanh cao su kẹp vào vành bánh xe (hoặc vào đĩa phanh với loại phanh đĩa). Ma sát biến năng lượng chuyển động của xe thành nhiệt, xe chậm lại. Sau một con dốc dài, sờ vào vành xe thấy ấm chính là vì thế. Khi trời mưa, lớp nước giữa má phanh và vành làm giảm ma sát, xe cần quãng đường dài hơn để dừng. Đi xe đạp trời mưa thì nên bóp phanh sớm hơn và nhẹ tay hơn.

Cầm nắm và buộc chặt

Bạn cầm được cây bút, mở được nắp chai, buộc được dây giày, tất cả đều nhờ ma sát. Đinh đóng vào gỗ giữ được là nhờ ma sát giữa thân đinh và thớ gỗ ép chặt. Vận động viên thể dục dụng cụ và cử tạ xoa bột trắng (bột magie cacbonat) vào lòng bàn tay để hút mồ hôi, giữ tay bám chắc vào xà và tạ.

Một thí nghiệm nổi tiếng

Lồng xen kẽ từng trang của hai quyển sách dày vào nhau, như khi ta xào bài. Rồi cầm gáy hai quyển kéo ra. Thường thì không kéo nổi. Mỗi trang chỉ có chút ma sát nhỏ, nhưng hàng trăm trang cộng lại và ép vào nhau thì lực tổng rất lớn. Một chương trình truyền hình khoa học từng lồng hai cuốn danh bạ điện thoại dày vào nhau và phải dùng tới xe cơ giới kéo hai đầu mới tách ra được.

Khi ma sát là thù

Mòn và nóng

Đế giày mòn dần, lốp xe mòn dần, phấn viết bảng ngắn dần, tất cả đều vì ma sát cào đi từng chút vật liệu. Trong động cơ, ma sát giữa các chi tiết kim loại sinh nhiệt và làm hao phí một phần năng lượng của nhiên liệu.

Cách giảm ma sát

• Bôi trơn: dầu, mỡ tạo một lớp mỏng chen giữa hai bề mặt kim loại để chúng không cọ trực tiếp. Xích xe đạp kêu "rít rít" thường là xích khô, cần tra dầu.
• Thay trượt bằng lăn: ổ bi trong trục bánh xe đạp, bánh xe dưới ghế văn phòng.
• Làm nhẵn bề mặt: đánh bóng, phủ lớp chống dính trên chảo.
• Tách hẳn hai bề mặt: đệm khí như bàn khúc côn cầu không khí, hay tàu đệm từ.

Những chỗ trơn bất ngờ và bám bất ngờ

Sàn ướt

Nước lau sàn chen vào giữa đế dép và gạch men, làm ma sát giảm mạnh. Đó là lý do các nơi công cộng đặt biển cảnh báo sàn ướt, và vì sao không nên chạy trong nhà vệ sinh, hành lang vừa lau hay quanh bể bơi.

Lốp xe và vũng nước

Rãnh trên lốp xe không phải để trang trí. Chúng là đường cho nước thoát ra khi bánh xe lăn qua mặt đường ướt. Khi xe chạy nhanh qua vũng nước sâu mà nước thoát không kịp, lốp có thể nổi trên một lớp nước mỏng và gần như mất bám. Hiện tượng này gọi là trượt nước, và là một lý do người lái xe phải giảm tốc khi trời mưa.

Băng trơn vì sao

Hầu như ai cũng nghe giải thích "áp lực của lưỡi giày trượt làm băng tan thành nước". Các nhà vật lý ngày nay cho rằng áp lực ấy quá nhỏ để làm tan băng đáng kể. Họ nghĩ bề mặt băng tự có một lớp phân tử lỏng lẻo, giống chất lỏng, và ma sát khi trượt làm nóng thêm lớp đó. Đến nay vì sao băng trơn vẫn là câu hỏi còn đang được nghiên cứu, một ví dụ hay cho thấy những thứ quen thuộc nhất chưa chắc đã được hiểu hết.

Cát rải trên ray tàu

Đầu máy xe lửa có những thùng chứa cát nhỏ. Khi ray ướt hoặc dính lá mục làm bánh xe thép bị trượt, hệ thống phun một ít cát xuống trước bánh xe để tăng bám. Bánh thép trên ray thép vốn có ma sát lăn rất nhỏ, đó là ưu điểm giúp tàu kéo được hàng nghìn tấn, nhưng cũng là lý do tàu phải phanh từ rất xa.

Thử làm: con dốc đo độ trơn

Bạn sẽ tự xếp hạng độ trơn của các vật quanh nhà, không cần dụng cụ đặc biệt.

Chuẩn bị: một tấm bìa cứng hoặc tấm thớt nhựa phẳng dài khoảng 30–40 cm, một chồng sách, thước kẻ, và năm sáu vật nhỏ để thử: cục tẩy, nắp chai nhựa, đồng xu, viên đá nhỏ, khối gỗ đồ chơi, chiếc dép tông.

1. Đặt tấm bìa nằm phẳng trên bàn. Xếp các vật thành một hàng ngang ở đầu tấm bìa.
2. Nâng từ từ đầu kia tấm bìa bằng cách kê thêm từng quyển sách.
3. Ghi lại vật nào trượt trước, vật nào trượt sau, và lúc đó đầu bìa cao bao nhiêu xen-ti-mét.
4. Làm lại ba lần để chắc chắn thứ tự không phải do may rủi.
5. Đổi mặt dốc: phủ một chiếc khăn bông, rồi một tờ giấy bóng, rồi lau ướt mặt thớt nhựa. Thứ tự có thay đổi không?

Góc nghiêng mà vật bắt đầu trượt cho biết ma sát nghỉ lớn hay nhỏ. Học sinh lớn hơn có thể tính thêm: chia chiều cao đầu dốc cho chiều dài phần nằm ngang bên dưới, con số đó gần đúng bằng hệ số ma sát nghỉ giữa vật và mặt dốc. Ví dụ đầu dốc cao 15 cm, phần nằm ngang 30 cm thì hệ số khoảng 0,5.

Góc bắt đầu trượt	Hệ số ma sát (xấp xỉ)	Cảm giác
khoảng 10°	0,18	rất trơn
khoảng 20°	0,36	hơi trơn
khoảng 30°	0,58	bám vừa
khoảng 40°	0,84	bám tốt
khoảng 45°	1,0	rất bám

Câu hỏi để nghĩ thêm: chiếc dép tông đặt ngửa và đặt sấp có trượt ở cùng một góc không? Dán đáy cục tẩy bằng băng dính trong thì sao?

Ma sát trong thiết kế đồ dùng

Nhà thiết kế sản phẩm nghĩ về ma sát liên tục. Tay cầm bàn chải đánh răng có phần cao su để không tuột khi ướt. Thảm nhà tắm có mặt dưới gai cao su để không trượt trên gạch. Đáy cốc nhựa cho trẻ nhỏ có vòng cao su. Bậc cầu thang ngoài trời có những đường rãnh nhám. Ngược lại, máng trượt ở sân chơi được làm thật nhẵn, đôi khi phủ sáp hoặc làm bằng nhựa bóng để trẻ trượt xuống dễ dàng. Lần tới khi cầm một món đồ, thử tự hỏi: chỗ nào người ta muốn bám, chỗ nào người ta muốn trơn?

Câu hỏi thường gặp

Ma sát là gì giải thích cho trẻ em?

Ma sát là lực cản xuất hiện khi hai bề mặt cọ vào nhau. Nó làm vật đang trượt chậm lại và giữ cho vật đứng yên không bị trượt. Nhờ ma sát ta đi bộ, cầm nắm, phanh xe được; vì ma sát mà đồ vật mòn và nóng lên.

Ma sát có lợi và có hại thế nào?

Có lợi khi cần bám: đi lại, phanh xe, cầm nắm, buộc dây, đóng đinh. Có hại khi gây mòn, sinh nhiệt và tốn sức trong máy móc. Người ta tăng ma sát bằng rãnh, cao su, cát; giảm ma sát bằng dầu mỡ, ổ bi, bánh xe.

Vì sao sàn ướt lại trơn?

Nước chen vào giữa đế dép và mặt sàn, ngăn hai bề mặt bám trực tiếp vào nhau nên ma sát giảm mạnh. Gạch men nhẵn càng dễ trơn khi ướt, vì vậy không nên chạy nhảy ở nơi vừa lau hoặc quanh bể bơi.

Ma sát nghỉ và ma sát trượt khác nhau thế nào?

Ma sát nghỉ giữ vật đứng yên khi lực đẩy chưa đủ lớn; ma sát trượt cản vật khi nó đã trượt. Ma sát nghỉ tối đa thường lớn hơn ma sát trượt, nên đẩy tủ lúc đầu rất nặng nhưng khi tủ đã trượt thì đẩy tiếp nhẹ hơn.

Vì sao lốp xe có rãnh?

Rãnh giúp nước thoát ra khỏi chỗ lốp tiếp xúc mặt đường khi trời mưa, giữ cho cao su bám trực tiếp vào mặt đường. Lốp mòn hết rãnh thì dễ bị trượt nước, nên lốp cũ phải được thay.