마찰력

마찰력은 접촉하고 있는 두 물체 사이의 상대적인 움직임을 방해하는 힘을 통틀어 말한다. 좁은 의미로는 고체면 사이의 마찰력을 말하고, 넓은 의미로는 고체와 유체 사이 또는 유체와 유체 사이의 상대적인 움직임을 방해하는 힘인 끌림힘(drag force) 등을 포함하여 말하기도 한다.

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접촉하고 있는 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 있는 경우 작용하는 마찰력을 운동마찰력 또는 미끄럼 마찰력이라고 한다. 대부분의 운동마찰력은 대략 접촉면 넓이와 상대 속력과는 거의 무관하고, 접촉면에 수직으로 작용하는 수직항력에 비례한다는 것이 실험으로 알려져 있다.

한편 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 없는 경우에도 마찰력이 작용할 수 있다. 수평면에 정지해 있는 블록을 아주 약하게 수평 방향으로 밀거나 잡아당길 때 블록이 계속 정지해 있다면, 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 블록에 작용하는 알짜힘이 0이어야 한다. 이는 외부에서 밀거나 잡아당긴 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용하고 있다는 것을 의미한다. 이런 힘을 정지마찰력이라고 한다. 정지마찰력은 외부에서 작용한 힘의 접촉면에 나란한 방향 성분과 크기가 같다. 외부에서 작용한 힘의 접촉면에 나란한 방향 성분이 일정한 크기 이상이 되면, 두 고체면 사이에 상대적인 움직임이 일어나면서 미끄러지게 된다. 상대적인 운동이 일어나기 직전의 정지마찰력을 최대정지마찰력이라고 한다. 실험에 의하면 두 고체면 사이의 최대정지마찰력은 운동마찰력보다 크다.

바퀴가 고체면 위에서 굴러가는 경우 접촉면의 변형으로 바퀴의 진행 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 굴림마찰력이라고 한다. 접촉면의 변형으로 바퀴와 고체면 사이의 수직항력은 바퀴 축을 지나는 방향이 아니라 바퀴의 회전을 방해하는 방향으로 작용하여, 굴림마찰력에 의한 돌림힘보다 더 큰 돌림힘을 반대 방향으로 가하게 되어 바퀴가 감속된다. 실험에 의하면 굴림 마찰력은 미끄럼 마찰력보다 작다.

고체와 유체 사이의 끌림힘은 운동마찰력과 달리 고체와 유체 사이의 상대 속력이 클수록 더 크며, 또한 접촉 단면적이 클수록 더 크다.