MA SÁT KHÔ VÀ MA SÁT NGHỈ
Không chỉ môi trường nhớt mới gây ra sức cản chuyển động. Sức cản chuyển động còn phát sinh cả khi một vật rắn trượt lên trên mặt vật rắn khác. Nếu các mặt vật rắn hay các lớp rắn giữa các vật (màng ôxit chất phủ pôlime, chất bôi trơn rắn...) tiếp xúc trượt thì ma sát đó gọi là ma sát khô.
Lực ma sát tác dụng dọc theo bề mặt tiếp xúc của các vật rắn có hướng chống lại sự trượt. Nhưng đừng nghĩ rằng ma sát luôn luôn cản trở chuyển động, nó thường hỗ trợ chuyển động đó.
Khi bánh xe tô quay, lốp xe miết lên mặt đường nhựa, lực ma sát chống lại sự trượt giữa chúng, tác dụng từ phía mặt đường hướng về phía trước giúp cho ôtô tịnh tiến về phía trước. Ma sát càng lớn thì lực ấy càng lớn vì thế người ta cố làm tăng nó lên chứ không phải là giảm nó đi: người ta phủ lên mặt đường những lớp nhựa đường, làm nhám nó, làm rãnh khía cho lốp xe. Bạn thử nhớ những khi ôtô nổ máy, rú ga mà không chuyển động được bao nhiêu trên đường trơn ướt hay đứng ì trong bùn hoặc trên băng, mặc dù động cơ vẫn chạy tốt.
Cái gì quyết định độ lớn lực ma sát khô? Kinh nghiệm đời thường cho ta thấy rằng khi ép càng mạnh hai bề mặt tiếp xúc nhau thì sự trượt giữa chúng càng khó khăn. Ví dụ, lôi một tờ giấy kẹp dưới chồng sách dày khó hơn trường hợp kẹp trong quyển vở mỏng. Áp lực tác dụng từ phía vật bên cạnh lên mặt tiếp xúc và vuông góc với mặt ấy được gọi là lực ép vuông góc (hay áp lực trực đối).
Vào năm 1781 Charles Coulomb nghiên cứu ma sát các chi tiết và của dây thừng, bộ phận quan trọng các cơ cấu thời ấy đã bằng thực nghiệm thiết lập được rằng lực sát Fms tỷ lệ thuận với lực ép vuông góc N:
Fms =
Hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số ma sát, phụ thuộc vào độ nhám của các bề mặt tiếp xúc. Với mặt trơn hơn thì nhỏ hơn. Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa ma sát khô và ma sát ướt biểu hiện khi giảm vận tốc chuyển động xuống bằng không, tức là ở hệ số ma sát nghỉ của chúng. Một quyển sách rất dày nằm trên bàn, nếu ta tác dụng một lực ngang không đủ lớn nó sẽ không dịch chuyển là vì dù vật không chuyển động vẫn tồn tại lực ma sát , làm triệt tiêu các lực khác. Tác dụng bên ngoài theo hướng dọc bề mặt càng mạnh, thì lực càng lớn, nhưng nó không tăng vô hạn (trừ phi hàn gắn các bề mặt tiếp xúc) mà tới một giới hạn tuỳ thuộc vào lực ép vuông góc N: max () =
Ở đây hệ số ma sát nghỉ hơi lớn hơn hệ số ma sát trượt . Còn nếu ngoại lực vượt quá giá trị cực đại đó, vật sẽ bắt đầu chuyển động có gai tốc. Như vậy độ lớn của lực ma nghỉ bị giới hạn bởi bất đẳng sức sau:
Nó biến thiên phụ thuộc vào các lực tác dụng và có thể nhận giá trị bất kì từ 0 tới
Còn một khác biệt lý thú nữa của ma sát khô so với ma sát nhớt: lực ma sát này không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc. Cho viên gạch trượt theo máng nghiêng xuống phía dưới, gia tốc của nó không phụ thuộc vào việc nó trượt bằng mặt đáy hay mặt bên. Hiện tượng bất ngờ ấy là do đâu? Ma sát sinh ra do tương tác giữa các vật thể tiếp xúc nhau. Ta biết, dù bề mặt vật rắn được đánh bóng khá tốt thì vẫn tồn tại vô số chỗ lồi, gờ, rãnh,… có độ cao, độ sâu lớn gấp hàng trăm lần đường kính nguyên tử. Giá như chúng nhỏ hơn, thì hai bề mặt tiếp xúc đã dính vào nhau vì súc hút giữa các phân tử.
Sự tiếp xúc của các vật rắn trong thực tế không phải là tiếp xúc của cả hai bề mặt, mà chỉ là của các gờ, chỗ lồi cao nhất, chiếm khoảng phần ngàn, phần trăm của diện tích chung của hai bề mặt. Vì diện tích vùng chạm nhau là bé, nên lực ép vuông góc ở chỗ tiếp xúc là rất lớn, và các chỗ lồi bẹt ra. Nếu tăng diện tích lên, thì lực ép vuông góc bị phân tán ra và giảm đi làm cho sự biến dạng của chỗ gờ, chỗ lồi cũng giảm theo. Vậy là diện tích thực sự tiếp xúc của các vật chỉ phụ thuộc vào lực ép, mà không phụ thuộc vào diện tích ''hình học'' của bề mặt.
Sau khi phát sinh sự trượt, các chỗ lồi ở ''điểm dính kết'' bị vạt nghiêng theo chiều của chuyển động. Chúng thay nhau hết ngắt lại nối ''những cây cầu'' ở chỗ tiếp xúc. Mỗi một ''điểm chạm'' là một liên kết ma sát giữa hai vật trượt, chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Những chỗ lồi dần dần bị san bằng, bề mặt trở nên nhẵn bóng hơn nhờ sự trượt qua lại.
Ma sát khô còn gây nóng bề mặt vì nhiệt thoát ra do các chỗ lồi bị biến dạng chưa kịp truyền vào sâu thể tích vật, dẫn đến sự hoá mềm lớp mỏng bề mặt, khiến nó đóng vai trò lớp bôi trong làm giảm lực ma sát. Đó là lý do đáng kể giúp vận động viên trượt băng (trên giày đế thép) hay trượt tuyết (trên tấm gỗ trượt).
MA SÁT VÀ ÔTÔ
Khi ôtô tăng tốc, động cơ truyền cho các bánh xe chủ động một mômen lực. Dưới tác động của mômen này các bánh xe đó quay và các điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường có xu hướng trượt về phía sau. Kết quả là xuất hiện lực ma sát hướng về phía trước, chống lại sự trượt có thể xảy ra .Chính lực này đẩy ôtô về phía trước. Khi đạt tốc độ mong muốn rồi, người lái xe giảm ga, tức là giảm mômen truyền cho bánh xe, xuống còn ở mức đủ thắng được sức cản chính diện và ma sát lăn ở vòng bi và lốp xe.
Để hãm tốc độ hay dừng hẳn xe lại, người ta đạp phanh (thắng) để ép má nhám vào vành hoặc đĩa bánh xe, khi đó xuất hiện mômen lực của ma sát trượt, làm giảm sự quay của bánh xe. Sự hãm xe thường kéo theo hiện tượng rất nguy hiểm - đó là ''trôi xe'', khiến xe có thể bị xoay ngang so với hướng trượt chính, chỉ vì một tác động nhỏ ngẫu nhiên bên ngoài.
Để hiểu vì sao lại xảy ra sự trôi xe như vậy, ta hãy xét các tức tác dụng lên vật trượt. Khi hãm, xe trượt với vận tốc . Nó chịu tác dụng của lực ma sát trượt , hướng ngược với vectơ . Giả sử bên cạnh sự trượt dọc hướng chính, xuất hiện thêm một sự trượt ngang, ví dụ do độ nghiêng mặt đường, với vận tốc nhỏ thì phát sinh lực phụ thêm , chống lại hướng trượt ấy. Nhưng lực ma sát toàn phần , phải hướng ngược với vận tốc tổng hợp và có độ lớn không vượt quá . Vì vậy lực ma sát dọc phải giảm đi một chút còn lực ngang thì tỷ lệ với và sẽ giống như ma sát nhớt, hơn là giống ma sát khô.
Sự trôi xe phát sinh cả khi ôtô gặp đoạn đường lầy lội và quay trượt. Khi tăng tốc độ quay của bánh xe, xe có thể (tuy là chậm) chuyển động lên phía trước nhờ tăng lực ma sát trượt cùng với tăng tốc độ. Nếu hành khách hay người qua đường giúp sức cố đẩy nó ra khỏi chỗ lầy, nó có thể xoay lung tung khỏi đường vì những tác động ngẫu nhiên.
Một số loại ôtô có trang bị thiết bị chống trượt, tự động điều chỉnh lực ép má phanh vào đĩa phanh, không cho bánh xe bị chẹt. Nhờ thế mômen hãm không thể vượt quá một giá trị tới hạn, trên đó sẽ bắt đầu sự trôi, cho dù người lái xe có đạp phanh mạnh như thế nào đi chăng nữa.
Ma sát ở ôtô hoạt động không chỉ khi hãm hay tăng tốc. Khi vặn tay lái xoay bánh trước, người lái cũng dựa vào lực ma sát để chuyển hướng chạy của xe. Ma sát bảo đảm sự bám bánh xe với mặt đường và biến chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của ôtô.