Tài liệu: Ma sát lặn

Tài liệu

Tóm tắt nội dung

Các vật có thể không chỉ chuyển động tịnh tiến, mà còn quay theo một trục nào đó. Tác dụng làm quay của bất cứ lực nào đều do mômen của nó (phụ thuộc vào cự li từ trục quay
Ma sát lặn

Nội dung

MA SÁT LĂN

Các vật có thể không chỉ chuyển động tịnh tiến, mà còn quay theo một trục nào đó. Tác dụng làm quay của bất cứ lực nào đều do mômen của nó (phụ thuộc vào cự li từ trục quay đến đường thẳng  hướng tác dụng của lực) quyết định.

Trên phẳng nghiêng, lực ma sát nghỉ hướng lên phía trên theo chiều dốc cản trở sự trượt và giữ vật đứng yên. Nếu ta đặt lên mặt phẳng nghiêng không phải là mẩu gỗ, mà là cầu nhỏ bán kính R, thì nó chỉ tiếp xúc với mặt nghiêng ở một điểm. Lực tác dụng từ phía mặt phẳng nghiêng lên quả cầu cũng lại có thể tách ra thành phản áp lực trực đối (lực ép vuông góc) N và lực ma sát Fms đặt vào điểm tiếp xúc. Vectơ tổng của N P = m thì có hướng nghiêng xuống dưới theo sườn dốc. Giả sử như không có ma sát (), quả cầu sẽ có thể trượt tịnh tiến dưới tác dụng của lực tổng hợp đó. Không có ma sát thì quả cầu không thể quay (lăn) vì hai lực   đều đi qua tâm của nó và mômen của chúng đều bằng không. Nếu có ma sát thì lực ma sát hướng ngược chiều trượt. Mômen của nó (Fms R), gây ra sự quay quả cầu (theo góc nhìn trên hình vẽ bên sẽ là ngược chiều kim đồng hồ). Không hề có một mômen nào triệt tiêu nó, cho nên vật sẽ thực hiện chuyển động quay đồng thời với chuyển động tịnh tiến.

Cần nhận thấy một đặc điểm quan trọng của sự lăn, đó là vai trò của độ cứng, độ đàn hồi hay độ nhám của bề mặt lăn. Nếu cho lăn hai quả cầu như nhau trên hai mặt phẳng (độ nghiêng như nhau nhưng có bề mặt khác nhau) thì mặt có độ cứng, trơn, nhẵn hơn sẽ làm cho quả cầu lăn nhanh hơn so với mặt mềm, đàn hồi, nhám. Như vậy bề mặt mềm (ví dụ, bằng cao su) có sức cản lớn hơn vì ma sát lăn được gây ra không chỉ bởi các quá trình ngắt, nối liên tiếp các ''cầu dính kết” mà còn bởi công tiêu hao ít hơn để làm biến dạng mặt tiếp xúc.

Mặt lăn mà đủ mềm thì nó còn chịu lún đáng kể dưới sức nặng của vật và vật khi chuyển động phải thường xuyên vượt lên hố lõm do lún. Vật cũng có thể bị bẹt đi ít nhiều vì tác động phản lực của giá đỡ nó khi lăn. Quá trình biến dạng liên tiếp như thế cũng làm chậm chuyển động lăn của vật. Độ biến dạng của các bề mặt tiếp xúc càng lớn thì năng lượng tiêu hao của vật chuyển động càng lớn. Vì thế hệ số ma sát lăn không chỉ tuỳ thuộc vào độ nhẵn của mặt tiếp xúc (giống như hệ số ma sát trượt) mà còn vào độ cứng của bề mặt nữa. Ma sát lăn phụ thuộc vào kiểu biến dạng của mặt tiếp xúc: biến dạng đàn hồi hay dẻo (không đàn hồi) và vào vận tốc lăn.

            Lực cản lăn nhỏ hơn nhiều so với lực cản trượt chỉ khi cả vật tròn và mặt phẳng lăn đều đủ rắn. Trên mặt đường xấu hoặc mềm bánh lăn của xe cộ khó mà chuyển dịch nhanh chóng được. Để di chuyển ở nơi không có đường hay đường xấu người ta chế tạo những xe bánh xích sắt như xe tăng hay máy kéo. Chúng “mang sẵn con đường theo mình”, đó là những băng xích rắn, được trải ra phía trước mỗi bánh xe.

 

LĂN THAY CHO TRƯỢT. BÁNH XE VÀ VÒNG BI

Khi trượt vật rắn theo một bề mặt rắn cố định, lực ma sát  gây cản trở nó (hệ số  không thứ nguyên  phụ thuộc vào độ nhẵn của các mặt tiếp xúc). Khi lăn sự quay bị hãm bởi mômen lực tức là hệ số ma sát lăn phải có thứ nguyên của độ dài.

Để có sự trượt đều đặn cần phải tác dụng vào vật một lực cân bằng với lực ma sát. Sự lăn đều đặn của vật tròn có thể duy trì nhờ một lực F', mà mômen của nó cân bằng được với mômen của lực ma sát lăn.

Ta hãy so sánh sự tiêu hao năng lượng cần để duy trì sự trượt và sự lăn với các vận tốc như nhau của hai vật sinh ra lực ép vuông góc như nhau N lên các mặt tiếp xúc. Vì khi lăn thuần tuý vận tốc góc  nên tỷ số công suất (định nghĩa là W = F.v) của trượt và lăn sẽ là:

Vậy để bánh xe có bán kính R = 50 cm khi  và , tỷ số đó phải bằng:

Vì thế chuyển vận bằng cách lăn 500 lần dễ hơn là lôi kéo cũng vật đó cho nó trượt.  Người xưa đã biết cách dùng bánh xe là các vành tròn có nan hoa lắp vào trục. Ta thấy dọc theo mặt bên của trục bánh xe vẫn còn có ma sát trượt. Để giảm nó, người ta tra dầu mỡ vào trục (ma sát khô được thay bằng ma sát lỏng, hoặc sử dụng vòng bi (ma sát trượt được thay bằng ma sát lăn).

Các vòng bi gồm có hai vành đồng trục, giữa hai lớp vành đặt các viên bi hình hai hình trụ hệt như nhau. Vành trong gắn chặt với trục xe, vành bên ngoài gắn vào vật và quay cùng với nó. Mỗi viên bi sẽ lăn đồng thời theo mặt lõm của vành phía trong và phía ngoài. Để chống các biến dạng của vành và bi người ta chế tạo chúng bằng kim loại cứng. Khi cần vòng bi chịu lực ép lớn (như vòng bi xe tải hạng nặng) người ta thay bi hình cầu bằng bi hình trụ, tiếp xúc với các gờ rãnh  của các vành không tại một điểm mà là một đoạn thẳng (chiều dài của bi trụ), làm tăng diện tích tiếp xúc và giảm lực ép.

 

LỰC MA SÁT VÀ TÍNH BẤT THUẬN NGHỊCH CỦA THỜI GIAN

Nếu như không có ma sát, thì chuyển động của các vật có lẽ đã có tính thuận nghịch. Chỉ cần đổi dấu tốc độ là có thể bắt vật chuyển động ngược lại, từ vị trí cuối về điểm xuất phát trải qua các trạng thái trên đường đi, theo trình tự ngược lại. Nếu quay phim các chuyển động cả thuận chiều và cả nghịch chiều, rồi đem chiếu chúng theo chiều ngược lại, chắc, ta sẽ không thể thấy sự khác biệt nào.

Nhưng lực ma sát đã làm thay đổi tình hình ấy. Chẳng hạn ta khảo sát sự trượt của một vật theo mặt phẳng nghiêng, ở phía dưới có để một vách đàn hồi (có lò xo) - cái phản xạ. Vật trượt xuống chạm mạnh vào vách, sẽ bị bật trở lại phía trên cũng theo mặt nghiêng đó. Nếu không có ma sát, vật chắc sẽ về tới vị trí ban đầu. Nhưng trong thực tế ma sát trượt đã hấp thụ mất một phần động năng của nó.

Dễ dàng tính toán được công này: độ lớn của lực bằng hướng ngược với hướng di chuyển, còn đoạn đường vật đi qua là: s = h/sin, với h là biến thiên độ cao của vật. Cho nên công của lực ma sát bằng

Năng lượng của vật trượt bị giảm đi một lượng như vậy! Vì trên con đường đi ngược lên, vật không ''vươn'' tới được vị trí xuất phát, nên sự trượt theo mặt phẳng nghiêng là bất thuận nghịch.

Từ quan điểm vật lý học tính bất thuận nghịch là hệ quả sự chuyển hoá cơ năng thành các dạng năng lượng phi cơ năng (như nhiệt), sự phát tán năng lượng ra không gian xung quanh (tiêu tán năng lượng). Định luật bảo toàn cơ năng, trong các trường hợp này không có hiệu lực, và phải thay thế bằng một định luật bảo toàn năng lượng tổng quát hơn. Để làm điều đó cần tạm rời khỏi thế giới cơ học và bước tới một lĩnh vực khác: nhiệt động lực học.




Nguồn: bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/1162-02-633398082174687500/Suc-can-chuyen-dong-va-luc-ma-sat/Ma-sat-...


Chưa có phản hồi
Bạn vui lòng Đăng nhập để bình luận