마찰

마찰(friction)

마찰력은 사람이 미끄러지지 않고 걸어갈 수 있게 하는 것처럼 때로는 유용하지만 운동을 방해하는 주된 원인이 된다. 자동차에서는 기관 동력의 약 20％가 구동부품에 존재하는 마찰력을 극복하기 위해 소모된다. 금속 사이에 작용하는 마찰력의 주된 요인은 미시적으로 보면 고르지 않은 두 표면이 접촉하는 곳에 생기는 점착(粘着)이라 불리는 인력 때문이라고 알려져 있다.

이러한 마찰은 맞닿아 있는 접촉면을 따라 물체가 밀리거나 상대적으로 단단한 면의 돌기가 연한 면을 불규칙적으로 긁으면서 지나갈 때 생긴다.

간단한 2가지 실험으로 서로 미끄러지고 있는 고체사이에 작용하는 마찰의 특성을 알 수 있다. 첫째, 마찰력의 크기는 접촉면의 넓이와는 거의 무관하다. 책상 위에서 벽돌을 잡아당길 때 벽돌이 세워져 있거나 누워 있거나 관계없이 마찰력의 크기는 같다.

둘째, 마찰은 표면을 누르는 하중이나 무게에 비례한다. 벽돌 3개를 끄는 데 필요한 힘은 1개를 끌 때보다 3배 더 크다. 따라서 마찰력 F와 하중 L의 비는 일정하다. 이때 상수값을 마찰계수라고 하며 그리스 문자 μ로 나타낸다. 수식으로는 μ=F/L이다. 하중과 마찰력은 모두 N(뉴턴)이나 파운드와 같은 힘의 단위로 측정되기 때문에 마찰계수는 차원이 없게 된다.

벽돌이 마루 위를 미끄러질 때의 마찰계수는 약 0.5인데, 이는 마찰력을 극복하고 벽돌이 일정한 속도로 움직이기 위해서 벽돌 무게의 약 1/2에 해당하는 힘이 필요하다는 것을 뜻한다. 마찰력 자체의 방향은 물체 운동방향과는 반대를 가리킨다. 지금까지 설명한 마찰은 두 표면의 상대운동에 관련되어 있으므로 운동마찰이라 한다.

이에 대해 정지마찰은 서로 정지해 있는 두 면에 작용한다. 정지 마찰력의 크기는 0에서 물체를 움직이는 데 필요한 최소 힘 사이의 값을 가진다. 운동을 시작하는 데 필요한 최소의 힘은 운동을 계속 유지하는 데 필요한 힘인 운동마찰력보다 항상 크다.

구름마찰은 볼 베어링이나 롤러 베어링처럼 바퀴·구(球)·원통 등이 면 위를 자유로이 구를 때 생긴다. 구름마찰력은 물체를 변형시킬 때 발생하는 에너지의 손실로 나타난다. 만약 단단한 구가 평평한 면을 구르면 구가 조금 납작해지면서 구와 접촉하고 있는 면도 약간 눌려지게 된다.

접촉 부위에서 생기는 탄성 변형이나 압축은 압축되었다 다시 원래대로 튀어나오면서 완전히 복원되지 못하기 때문에 결국 운동의 방해물로 남게 된다. 두 물질에서 내부 손실은 어떤 물체를 떨어뜨렸을 때 튀어오르는 높이가 원래보다 낮아지게 되는 것과 유사하다. 동일한 물질에서 미끄럼마찰력은 구름마찰력보다 약 100~1,000배 정도 더 크다. 그런 이유로 썰매 대신 바퀴를 사용하게 되었다.