Lực ma sát hướng về đâu?

36

Lực ma sát hướng về đâu?

Nếu bạn cho rằng lực ma sát có hướng chống lại chuyển động thì mọi điều trong phát biểu này đều đúng. Ví dụ, một lực ma sát $\vec{F}_{\text{tr}}$ tác dụng lên một chiếc xe trượt xuống núi, hướng ngược với tốc độ của xe trượt (Hình 1). Nhưng rất thường xuyên lực ma sát mang đến những hậu quả không ngờ tới. Dưới đây là một số ví dụ.

Một người đi ngang bằng nhau, vận tốc của người đó hướng về bên phải. Lực ma sát hướng về đâu? đáp số đúng cũng ở bên phải, tức là theo hướng chuyển động của người đó chứ không phải hướng ngược lại (Hình 2). Tuy nhiên, chúng ta hãy xem xét trường hợp này chi tiết hơn. Khi một người bước một bước, đẩy chân lên khỏi mặt đất, đế giày “có xu hướng” lùi về phía sau, theo hướng ngược lại với chuyển động của người đó. Và lực ma sát tác dụng từ trái đất lên đế có hướng chống lại chuyển động của đế, tức là sang phải, như trong Hình 2. Chuyển động của đế so với mặt đất đóng vai trò chính - lực ma sát tác dụng chống lại nó.

Nếu lực ma sát đủ để một người nhấp mạnh mà không có lực tác động ngược lại, hoặc lực ma sát nhỏ thì điều ngược lại bắt đầu: đế di chuyển về phía sau, đầu vẫn giữ nguyên, mất thăng bằng và người đó ngã. Hãy cố gắng đi nhanh hơn trên băng mịn!

Hình 1.
Hình 2.

37

Tuy nhiên, quá trình đi bộ không chỉ bao gồm những cú đẩy. Đẩy là giai đoạn đầu tiên, bên cạnh đó còn có các chuyển động đặc trưng khác: hora “tụt hậu” được đưa về phía trước và đứng trên mặt đất. Trong trường hợp này, lực ma sát hướng vào chuyển động của người đó.

Như vậy, khi đi, hướng của lực ma sát luôn thay đổi.

Điều tương tự cũng xảy ra với nhiều ván trượt hơn: khi người trượt tuyết bị đẩy bởi gậy và ván trượt (Hình 3, a), hướng của lực ma sát là một, và với chuyển động tiếp theo theo quán tính (Hình 3, b) thì hướng của lực ma sát sẽ khác. Rõ ràng, để chạy trên mặt phẳng, điều thuận lợi là trong quá trình trượt tự do, lực ma sát phải nhỏ nhất và khi đẩy không bị trượt, tức là lực ma sát phải càng lớn càng tốt.

Ví dụ, điều này có thể đạt được bằng cách dán lông thú lên phần nằm sao cho cọc hướng từ chân của phần nằm đến đầu của nó. Như vậy, họ thực sự đang bò về phía Bắc.

Bây giờ chúng ta hãy xem lực ma sát được định hướng như thế nào khi một người đi trên núi. Nếu đường đi xuống khá tròn thì người đó “phanh” bằng chân, cố gắng tránh bị lăn xuống (Hình 4, a): lực ma sát hướng vào tốc độ của người đó.

Khi xuống dốc nhẹ nhàng và khi leo núi (Hình 4, b) không cần phanh; mọi thứ sẽ diễn ra giống như trường hợp đi trên một bề mặt phẳng.

Còn nhiều điều ngạc nhiên hơn nữa phản ánh sức mạnh của ma sát khi xem xét

Hình 4.

Hình 5.

bóng lăn (Hình 5). Một mặt, nếu không có hiện tượng trượt thì điều này có nghĩa là lực ma sát đủ để quả bóng “đẩy” khỏi mặt đất (lực ma sát $\vec{F}_{\text{тр1}}$ tác dụng lên quả bóng), và đối với quả bóng, “lực đẩy” này sẽ xảy ra liên tục.

Mặt khác, một quả bóng lăn sẽ đảo ngược chuyển động của nó và cuối cùng dừng lại. Điều này có nghĩa là lực ma sát $\vec{F}_{\text{тр2}}$ cũng tác dụng lên quả bóng - và liên tục. Đối với một quả bóng, hai giai đoạn chuyển động thể hiện trong Hình 3 hợp nhất thành một.

Điều tương tự cũng có thể nói về các bánh xe của máy chuyển động, xe lửa, v.v.

Hãy nghĩ xem bạn có thể nói đến những điều bất ngờ nào khác trong hành trạng của lực ma sát?

Hình 3.