Bài giảng 5: Lực ma sát

Chia sẻ: Đình Chung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

104
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng 5 Lực ma sát nhằm mục tiêu giúp người học nêu được những đặc điểm của lực ma sát (trượt, nghỉ, lăn); viết được công thức của lực ma sát trượt; nêu được một số cách làm giảm hoặc tăng ma sát.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng 5: Lực ma sát

BÀI GIẢNG 5. LỰC MA SÁT 1. Kiến thức - Nêu được những đặc điểm của lực ma sát (trượt, nghỉ, lăn). - Viết được công thức của lực ma sát trượt. - Nêu được một số cách làm giảm hoặc tăng ma sát. 2. Kỹ năng - Vận dụng được công thức của lực ma sát trượt để giải các bài tập tương tự như ở bài học. - Giải thích được vai trò phát động của lực ma sát nghỉ đối với việc đi lại của người, động vật và xe cộ. - Bước đầu đề xuất giả thuyết hợp lí và đưa ra được phương án thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết. 3. Thái độ - Nhận thức được 2 mặt của 1 vấn đề "Lực ma sát vừa có ích vừa có hại": đường quá trơn hoặc quá nhám dễ gây ra tai nạn nhưng cần trong phanh xe,... Người ta thường nói đến lực ma sát như nói đến một lực cản trở chuyển động. Nếu chỉ có lực ma sát thì mọi trục của động cơ sẽ ngừng quay, mọi bánh xe sẽ ngừng lăn. Nhưng nếu không có lực ma sát thì ta không thể đi bộ hay di xe được. Tại sao vậy? Việc nghiên cứu lực ma sát sẽ giúp ta nhận ra và giải thích được nhiều hiện tượng mà ta không ngờ đã có lực ma sát tham gia, thậm chí còn giữ vai trò chủ yếu? I - LỰC MA SÁT TRƯỢT Như đã biết, khi một vật chuyển động trượt trên bề mặt thì bề mặt tác dụng lên vật tại chổ tiếp xúc một lực ma sát trượt, cản trở chuyển động của vật trên bề mặt đó. 1. Đo độ lớn của lực ma sát trượt như thế nào? Thí nghiệm: Móc lực kế vào một khúc gỗ hình hộp chữ nhật đặt trên bàn rồi kéo theo phương ngang cho khúc gỗ chuyển động thẳng đều với vận tốc nhỏ. Khi ấy lực kế chỉ độ lớn của lực ma sát tác dụng vào vật. Làm vài lần, lấy giá trị trung bình làm độ lớn của lực ma sát trượt. Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
2. Độ lớn của lực ma sát trượt phụ thuộc vào các yếu tố sau nào? Kết quả thí nghiệm cho ta kết luận về độ lớn của lực ma sát trượt phụ thuộc vào: a) Không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ của vật. b) Tỉ lệ với độ lớn của áp lực. c) Phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng Hình 13.1. Ảnh chụp trong quá trình của hai mặt tiếp xúc. kéo 3. HỆ SỐ MA SÁT TRƯỢT Hệ số tỉ lệ giữa độ lớn của lực ma sát trượt và độ lớn của lực của áp lực được gọi là hệ số ma sát trượt, kí hiệu là μt(đọc là "muy t"). (13.1) Hệ số ma sát trượt phụ thuộc vào bản chất của hai mặt tiếp xúc (Bảng 13.1) và các điều kiện trên bề mặt. Nó không có đơn vị và được dùng để tính độ lớn của lực ma sát trượt. Bảng 13.1. Bảng hệ số ma sát trượt (gần đúng) của một số vật liệu Vật liệu Hệ số ma sát trượt Gỗ rắn trên gỗ rắn 0,25 Da trên gỗ 0,4 Da trên gang 0,28 Thép trên đất cứng 0,2-0,4 Lốp cao su trên đất cứng 0,4-0,6 Thép trên thép 0,2 4. Công thức của lực ma sát trượt (13.2) Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Hình 13.2. Lưỡi cưa (mài) Hình 13.3. Phanh xe II - LỰC MA SÁT LĂN Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt một vật khác, để cản lại chuyển động lăn của vật. Thí nghiệm cho ta thấy lực ma sát lăn cũng tỉ lệ áp lực, nhưng hệ số ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều lần (hàng chục lần) hệ số ma sát trượt. Chính vì thế mà trong kĩ thuật, người ta đã phát minh ra ổ bi để thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn. III - LỰC MA SÁT NGHỈ Kéo lực kế với một lực nhỏ thì khúc gỗ chưa chuyển động, lực ma sát nghỉ đã cân bằng với lực kéo làm khúc gỗ đứng yên. Vậy lực ma sát nghỉ có những đặc điểm gì? 1. Thế nào là lực ma sát nghỉ? a) Kéo lực kế với một lực nhỏ song song với mặt bàn theo các hướng khác nhau ta thấy khúc gỗ đứng yên. Tăng độ lớn của lực kế lên một chút, khúc gỗ vẫn chưa chuyển động. b) Tăng lực kéo vượt quá một giá trị nào đó thì khúc gỗ bắt đầu chuyển động. Khi khúc gỗ đã chuyển động thì chỉ cần kéo nó với một lực nhỏ hơngiá trị này cũng giữ được vật chuyển động thẳng đều. c) Độ lớn của lực ma sát nghỉ cực đại cũng tỉ lệ với độ lớn của áp lực như ma sát trượt. Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi một vật nằm yên trên bề mặt vật khác. 2. Những đặc điểm của lực ma sát nghỉ Lực ma sát nghỉ có điểm đặt trên vật , có phương song song với mặt tiếp xúc và có chiều ngược chiều với lực tác dụng vào vật khi vật còn chưa chuyển động. Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Khi lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc lớn hơn một giá trị nào đó thì vật sẽ trượt. Như vậy: Lực ma sát nghỉ cực đại xấp xỉ bằng lực ma sát trượt và có thể dùng công thức tính lực ma sát trượt để tính lực ma sát nghỉ cực đại. 3. Vai trò của lực ma sát nghỉ Ngoài tác dụng giữ các vật đứng yên, ta cầm được các vật trên tay, đinh được giữ lại tường, sợi kết thành vải, dây cua-roa truyền được chuyển động, băng chuyển đuợc các vật từ nơi này đến nơi khác (Hình 13.4), ... Lực ma sát nghỉ còn có vai trò quan trọng đó là lực phát động làm cho các vật (người, xe cộ, ...) chuyển động được. Ta xét chuyển động của người đi bộ. Khi đi, bàn chân tác dụng một lực ma sát nghỉ F vào mặt đất hướng về phía sau, theo định luật III Niu-tơn, mặt đất tác dụng lại chân một lực ma sát nghỉ F' hướng về phía trước (Hình 13.5). Lực này đóng vai trò lực phát động làm cho người đi được. Hình 13.4 Hình 13.5 Hình 13.6 Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Bài tập ví dụ. Một xe ôtô đang chạy trên đường lát bêtông với vận tốc v0 = 100 km/h thì hãm lại. Cho g = 10 m/s2. Hãy tính quãng đường ngắn nhất mà ôtô có thể đi cho tới lúc dừng lại trong hai trường hợp : a) Đường khô, hệ số ma sát trượt giữa lốp xe với mặt đường là  = 0,7. b) Đường ướt,  =0,5. Giải: hoặc Gốc toạ độ tại vị trí xe có v0 = 100km/h  27,8m/s. Mốc thời gian tại lúc bắt đầu hãm xe. Theo định luật II Niu-tơn và công thức tính Fms , ta được: a) Khi đường khô  = 0,7  a = - 0,7.10 = - 7(m/s2) Quãng đường xe đi được là: v2 – v02 = 2as  s = b) Khi đường ướt  = 0,5  a = -0,5.10 = - 5(m/s2). Quãng đường xe đi được là: s = 77,3(m). Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Lực ma sát trượt: + Có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của áp lực (lực pháp tuyến). + Công thức: với là hệ số ma sát trượt. Lực ma sát nghỉ: + Xuất hiện ở mặt tiếp xúc và giữ cho vật đứng yên khi nó bị một lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc. + Không có hướng nhất định. Hướng của nó ngược với hướng của lực tác dụng. + Không có độ lớn nhất định. Độ lớn của nó bằng với độ lớn của lực tác dụng. + Có độ lớn cực đại. Lực ma sát nghỉ cực đại lớn hơn lực ma sát trượt. + Công thức: Lực ma sát lăn: + Xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật lăn trên mặt một vật khác. + Có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của áp lực. + Hệ số ma sát lăn nhỏ hơn hệ số ma sát trượt hàng chục lần. Câu 1. Có những loại lực ma sát nào? Khi nào xuất hiện? Câu 2. Lực ma sát trượt, xuất hiện khi nào, có độ lớn phụ thuộc vào những yếu tố nào, được xác định bằng công thức nào? Ma sát có lợi hay có hại, cho ví dụ? Câu 3. Vai trò của ma sát nghỉ? BÀI TẬP 13.1. Câu nào đúng? Một vật lúc đầu nằm trên một mặt phẳng nhám nằm ngang. Sau khi được truyền một vận tốc đầu, vật chuyển động chậm dần vì có A. lực ma sát. C. lực tác dụng ban đầu. B. phản lực. D. quán tính. Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
13.2. Một vận động viên môn hóc cây (môn khúc côn cầu) dùng gậy gạt quả bóng để truyền cho nó một vận tốc đầu 10 m/s. Hệ số ma sát trượt giữa bóng và mặt băng là 0,10. Hỏi quả bóng đi được một đoạn đường bao nhiêu thì dừng lại? Lấy g = 9,8 m/s2. A. 39 m. C. 51 m. B. 45 m. D. 57 m. 13.3. Điều gì xảy ra đối với hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc nếu lực ép hai mặt tiếp xúc tăng lên? A. Tăng lên. C. Không thay đổi. B. Giảm đi. D. Không biết được. 13.4. Người ta đẩy một chiếc hộp để truyền cho nó một vận tốc đầu v0 = 3,5 m/s. Sau khi đẩy, hộp chuyển động trượt trên sàn nhà. Hệ số ma sát trượt giữa hộp và sàn nhà là 0,30. Hỏi hộp đi được một đoạn đường bằng bao nhiêu? Lấy g = 9,8 m/s2. 13.5. a) Vì sao đế dép, lốp ô tô, lốp xe đạp phải khía ở mặt cao su? b) Vì sao quần áo đã là lại lâu bẩn hơn không là? c) Vì sao cán cuốc khô khó cầm hơn cán cuốc ẩm ướt? 13.6. Đặt một vật lên mặt bàn nằm ngang rồi tác dụng vào vật một lực theo phương ngang, ta thấy vật không chuyển động. Hãy giải thích tại sao. 13.7. Người ta đẩy một cái thùng có khối lượng 55 kg theo phương ngang với lực 220 N làm thùng chuyển động trên mặt phẳng ngang. Hệ số ma sát trượt giữa thùng và mặt phẳng là 0,35. Tính gia tốc của thùng. Lấy g = 9,8 m/s2. 13.8. Một ô tô có khối lượng 800 kg có thể đạt được tốc độ 20 m/s trong 36s vào lúc khởi hành. a) Lực cần thiết để gây ra gia tốc cho xe là lực nào và có độ lớn bằng bao nhiêu? b) Tính tỉ số giữa độ lớn của lực tăng tốc và trọng lượng của xe. Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Ma sát có ích hay có hại Ma sát trượt Xét trường hợp một trục máy đang quay trong một ổ đỡ trục trượt. Ma sát sinh ra ở ổ trục là ma sát trượt. Muốn duy trì chuyển động quay đó thì ma sát trượt là có hại, phải làm giảm nó bằng cách bôi trơn. Ta xét một trường hợp khác, xe đạp đang chạy mà muốn dừng lại, ta phải bóp phanh. Lực ma sát trượt xuất hiện ở chỗ bánh xe tiếp xúc với mặt đường đã hãm chuyển động của xe. Ở đây ma sát trượt là có ích. Ma sát trượt lại có ích trong các máy mài, trong gia công làm bóng, nhẵn các bề mặt kim loại... Ma sát lăn Ma sát lăn nói chung là có hại và phải tìm cách giảm tới mức tối đa, chẳng hạn như phải cải tiến, thay ổ đỡ trục trượt bằng ổ đõ trục có bi. Ma sát nghỉ Không có ma sát nghỉ thì ta không thể cầm được đồ vật bằng tay. Nhờ có ma sát nghỉ mà dây cuaroa truyền được chuyển động làm quay được các bánh xe trong máy móc. Cũng nhờ nó mà người ta chuyển được các vật từ nơi này đến nơi khác bằng băng truyền. Có điều tra ta không ngờ tới là trong nhiều trường hợp lực ma sát nghỉ lại đóng vai trò lực phát động làm cho các vật chuyển động. Nếu như không có ma sát? Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Nhờ có ma sát mà ta có thể ngồi, đi lại và làm việc được dễ dàng; nhờ nó mà sách vở bút mực nằm yên trên mặt bàn, mà cái bàn không bị trượt trên sàn nhà, mặc dù người ta không đặt nó vào sát tường, và quản bút không tuột ra khỏi các ngón tay... Ma sát là một hiện tượng phổ biến đến nỗi chúng ta ít khi để ý tới tác dụng hữu ích của nó, mà thường cho nó là một hiện tượng tự nhiên phải thế. Nhờ ma sát mà các vật thêm vững vàng. Người thợ mộc ghép sàn nhà cho phẳng để khi người ta đặt bàn ghế ở đâu là chúng đứng yên ở đấy. Cốc, đĩa, Nhờ có ma sát mà thìa đặt trên bàn ăn đều được nằm yên mà ta không cần phải quan tâm đặc mọi vật ở yên chỗ biệt đến chúng, nếu như không gặp trường hợp có sự chòng chành bất của nó. thường như trên tàu thuỷ. Thử tưởng tượng rằng có thể trừ bỏ được ma sát hoàn toàn thì sẽ không có một vật thể nào, dù là to như một tảng đá hay nhỏ như một hạt cát có thể tựa vững lên nhau được. Tất cả sẽ bị trượt đi và lăn mãi cho đến khi chúng đạt tới một vị trí thật thăng bằng đối với nhau mới thôi. Nếu như không có ma sát thì trái đất của chúng ta sẽ thành một quả cầu nhẵn nhụi giống như một quả cầu bằng nước. Có thể nói thêm rằng nếu không có ma sát thì các đinh ốc sẽ rơi tuột ra khỏi tường, chẳng đồ vật nào giữ chặt được ở trong tay, chẳng cơn lốc nào dứt nổi, chẳng âm thanh nào tắt mà sẽ vang mãi thành một tiếng vọng bất tận, vì đã phản xạ không chút yếu đi vào các bức tường. Mỗi lần đi trên băng, ta lại có một bài học cụ thể để củng cố lòng tin của mình vào tầm quan trọng đặc biệt của ma sát. Đi trên đường phố có băng phủ hay trên đường đất thịt sau khi trời mưa, ta cảm thấy mình thật bất lực và lúc nào cũng như muốn ngã... Tuy nhiên, trong kỹ thuật người ta có thể lợi dụng sự ma sát rất bé để phục vụ những việc có ích. Chẳng hạn những chiếc xe trượt trên mặt băng, hay những con đường băng dùng để vận chuyển gỗ từ chỗ khai thác đến chỗ đặt đường sắt, hoặc đến những bến sông để thả bè. Trên những đường “ray” băng trơn nhẵn, hai con ngựa đã kéo nổi 70 tấn gỗ. (Theo Vật lý vui) MA SÁT CỦA LỐP XE HƠI Các lốp xe ảnh hưởng đến sự an toàn của bạn đến mức nào khi bạn lái xe trên xa lộ? Yếu tố nào ngăn cho xe khỏi bị trượt và cho phép bạn kiểm soát xe khi bạn cua xe hay dừng lại? Ma sát làm được gì ở đây? Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!
Bề mặt lốp xe đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo ma sát hay chống trượt. Trong điều kiện khô ráo, một lốp xe nhẵn sẽ tạo lực đẩy lớn hơn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn hơn sẽ làm tăng lực ma sát. Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua trên các đường đua có bề mặt nhẵn không có khía. Rủi thay, một lốp xe nhẵn tạo ra rất ít ma sát khi đường ướt bởi vì sự ma sát bị giảm đáng kể do có lớp nước rất mỏng bôi trơn giữa mặt đường và lốp xe. Lốp xe có bề mặt nhiều khía sẽ tạo nên các rãnh cho nước bị ép thoát ra được và cho phép lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường. Một lốp xe có khía có hệ số ma sát khô và ướt là khoảng 0,7 và 0,4. Giá trị này nằm giữa khoảng giá trị rất lớn khi khô (0,9) và rất nhỏ khi ướt (0,1) đối với lốp xe nhẵn. Lý thuyết ma sát cổ điển cần được sửa đổi cho lốp xe bởi vì cấu trúc mềm dẻo của chúng và độ dãn của cao su. Thay vì chỉ phụ thuộc hệ số ma sát giữa bề mặt đường và lốp xe (hệ số này quyết định bởi bản chất của mặt đường và cao su của lốp xe). Khả năng dừng tối đa cũng còn phụ thuôc vào độ bền của lốp xe với lực xé rách khi xe thắng gấp. Khi xe thắng gấp trên đường khô, lực ma sát tạo ra có thể lớn hơn sức bền của bề mặt lốp xe. Kết quả là thay vì chỉ bị trượt trên đường, cao su có thể bị xé rách. Rõ ràng độ bền chống lại xé rách sẽ phụ thuộc vào lớp bố cũng như hình dạng các khía. Trọng lượng của xe được phân bố không đều trên diện tích tiếp xúc với mặt đường, tạo các vùng áp suất cao thấp khác nhau (giống như khi bạn đi bộ bằng dép mỏng trên sỏi). Độ bền chống xé rách sẽ lớn hơn ở vùng có áp suất cao hơn. Hơn nữa, kích thước của diện tích tiếp xúc là rất quan trọng bởi vì lực đẩy là động hơn là tĩnh tức là nó thay đổi khi bánh xe lăn. Diện tích tiếp xúc càng lớn, lực đẩy càng lớn. Do đó, với cùng tải và trên cùng bề mặt khô, lốp xe rộng hơn sẽ có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả năng dừng tốt hơn. Khi bạn đi mua lốp xe, hãy suy nghĩ về điều kiện thời tiết và chất lượng mặt đường, cũng như vận tốc bạn lái xe. Nếu bạn lái xe trên đường tốt, bạn chỉ cần lốp xe có khía vừa phải. Nếu bạn lái xe trên đường bùn hay tuyết, bạn cần lốp xe thiết kế cho các điều kiện này. Xe đua chạy trên đường siêu tốc được trang bị lốp rộng, nhẵn gọi là “lốp tăng tốc”. Lốp xe đua trên đường khô có bề mặt tiếp xúc nhẵn. Lốp có khía được dùng phổ biến để tạo rãnh cho nước thoát ra khi chạy trên đường ướt. Bởi vì nếu không có khía, lốp xe đua không thể chạy trên đường ướt. Bài giảng được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng!