Lực ma sát lăn là gì? Công thức tính lực ma sát lăn

Lực ma sát lăn là gì? Ở những bài trước Hoàng Vina chia sẻ những kiến thức về lực ma sát nghỉ, lực ma sát trượt và bên cạnh đó không thể thiếu là lực ma sát lăn. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về định nghĩa, công thức tính, ứng dụng và cách giảm thiểu hoặc tăng cường lực ma sát lăn trong thực tế. 

1. Lực ma sát lăn là gì?

Lực ma sát lăn là lực cản trở chuyển động lăn của các vật có hình tròn. Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt của vật khác, do sự biến dạng của vật thể và/hoặc của bề mặt.

Lực ma sát lăn thường rất nhỏ so với lực ma sát trượt. Hệ số ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều lần hệ số ma sát trượt.

Ví dụ: Khi đẩy hàng bằng xe đẩy thì bánh xe lăn trên mặt đường, xuất hiện lực ma sát lăn giữa bánh xe và mặt đường.

2. Công thức tính lực ma sát lăn là gì?

Công thức tính lực ma sát lăn là:

F_msl​ = μ_l​ . N

Trong đó:

• F_msl​ là lực ma sát lăn (N).
• μ_l​ là hệ số ma sát lăn (không có đơn vị).
• N là lực pháp tuyến (N) giữa hai bề mặt tiếp xúc.

Lực pháp tuyến thường bằng với trọng lực của vật lăn, tức N=mg, trong đó m là khối lượng của vật lăn (kg) và g là gia tốc trọng trường (9.8m/s²).

3. Hệ số ma sát lăn phụ thuộc vào điều gì?

Hệ số ma sát lăn phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Vật liệu của hai bề mặt tiếp xúc: các vật liệu khác nhau có độ nhám và độ cứng khác nhau, ảnh hưởng đến mức độ biến dạng và cọ xát giữa chúng khi lăn.
• Tình trạng của hai bề mặt tiếp xúc: tình trạng bao gồm độ ẩm, độ sạch sẽ, độ bằng phẳng và độ khô ráo của hai bề mặt. Các yếu tố này ảnh hưởng đến sự dính và trơn của hai bề mặt khi lăn.
• Hình dạng của vật lăn: hình dạng của vật lăn quyết định diện tích tiếp xúc với bề mặt cơ sở. Càng ít diện tích tiếp xúc thì càng ít lực ma sát lăn. Ví dụ, một quả cầu lăn trên một mặt phẳng có lực ma sát lăn nhỏ hơn một hình trụ cùng khối lượng và bán kính lăn trên cùng một mặt phẳng.

Ngoài ra, hệ số ma sát lăn không phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt: điều này khác với lực ma sát trượt, vì lực ma sát lăn chỉ phụ thuộc vào áp suất phân bố trên diện tích tiếp xúc, chứ không phải diện tích tiếp xúc tổng thể.
• Lực pháp tuyến giữa hai bề mặt: điều này cũng khác với lực ma sát trượt, vì lực ma sát lăn không tỷ lệ thuận với lực pháp tuyến. Thay vào đó, lực ma sát lăn chỉ tỷ lệ thuận với căn bậc hai của lực pháp tuyến. Vì vậy, nếu tăng gấp đôi lực pháp tuyến thì chỉ tăng gấp √2​ lần lực ma sát lăn.

4. Lực ma sát lăn có tác dụng gì trong đời sống?

Lực ma sát lăn có những tác dụng sau trong đời sống:

• Giúp các vật lăn dừng lại sau một thời gian chuyển động: nếu không có lực ma sát lăn, các vật lăn sẽ tiếp tục chuyển động mãi theo định luật bảo toàn động lượng. Ví dụ, khi quả bóng lăn trên sân cỏ, nó sẽ dần chậm lại và dừng do lực ma sát lăn giữa bóng và cỏ.
• Giúp các phương tiện di chuyển hiệu quả hơn: lực ma sát lăn thường nhỏ hơn lực ma sát trượt giữa hai bề mặt, do đó giảm thiểu mất năng lượng và tăng hiệu suất chuyển động. Ví dụ, khi xe đạp hoặc xe ô tô di chuyển trên đường, bánh xe của chúng tạo ra lực ma sát lăn với mặt đường, giúp xe di chuyển dễ dàng hơn so với nếu bánh xe trượt trên đường.
• Giúp các vật có hình tròn xoay được: lực ma sát lăn giữa vật và mặt phẳng cơ sở tạo ra mô men xoắn cho vật, giúp vật xoay được quanh trục của nó. Ví dụ, khi quay con quay hay con gà gô, lực ma sát lăn giữa chân của chúng và mặt phẳng cơ sở làm cho chúng xoay được.

5. Làm sao để giảm thiểu hoặc tăng cường lực ma sát lăn?

Để giảm thiểu hoặc tăng cường lực ma sát lăn, bạn có thể thực hiện một số cách sau:

• Để giảm thiểu lực ma sát lăn, bạn có thể giảm áp lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường bằng cách giảm khối lượng của vật hoặc bơm hơi vào bánh xe. Bạn cũng có thể tăng độ trơn của bề mặt tiếp xúc bằng cách tra dầu, mài nhẵn hoặc sử dụng vật liệu có độ nhám thấp.
• Để tăng cường lực ma sát lăn, bạn có thể tăng áp lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường bằng cách tăng khối lượng của vật hoặc xả hơi ra khỏi bánh xe. Bạn cũng có thể giảm độ trơn của bề mặt tiếp xúc bằng cách tăng độ nhám của vật hoặc sử dụng vật liệu thô, gồ ghề.

Lực ma sát lăn có thể có lợi hoặc có hại tùy theo trường hợp. Ví dụ:

• Lực ma sát lăn có lợi khi bạn muốn xe chạy ổn định và không trượt trên mặt đường. Lúc này, bạn cần tăng cường lực ma sát lăn để tạo ra ma sát cần thiết cho chuyển động an toàn.
• Lực ma sát lăn có hại khi bạn muốn xe chạy nhanh và tiết kiệm nhiên liệu. Lúc này, bạn cần giảm thiểu lực ma sát lăn để giảm đi lực cản trở chuyển động và nâng cao hiệu suất của xe.

6. Giá trị của hệ số ma sát lăn giữa một số vật liệu

Giá trị của hệ số ma sát lăn giữa các vật liệu là một đại lượng mang tính thực nghiệm, nó biểu thị tỉ số của lực ma sát lăn nằm giữa hai vật trên lực tác dụng đồng thời lên chúng.

Hệ số ma sát lăn phụ thuộc vào chất liệu làm nên vật, tình trạng và độ nhám của bề mặt tiếp xúc. Hệ số ma sát lăn có thể nằm trong khoảng từ 0 cho tới một giá trị lớn hơn 1 trong điều kiện tốt.

Dưới đây là một số giá trị của hệ số ma sát lăn giữa một số vật liệu thường gặp:

>>> Xem thêm: Lực ma sát nghỉ là gì? Công thức tính lực ma sát nghỉ