일상생활과 산업전반에서의 마찰과 마찰계수

1. 마찰의 정의와 우리의 일상생활에 미치는 영향

마찰은 물체가 다른 물체 위를 움직일 때 이동을 저항하는 현상으로, 밀거나 당길때 이동 에너지가 손실되고, 마찰 에너지가 발생합니다.

이러한 마찰은 우리 일상생활과 산업 과정에서 중요한 역할을 합니다.

마찰을 통해 발명된 것 중 인류 역사에 큰 영향을 끼친것은 마찰 열(에너지)을 통해 불을 지핀것과

바퀴를 이용해 무거운 물체를 보다 쉽게 이동 시킬 수 있게된것 입니다.(미끄럼 마찰 대비 구름 마찰이 작음)

마찰은 우리가 몸을 움직이고, 물체를 잡는 데 도움을 주며, 방향 전환이나 이동을 쉽게 합니다.

또한 마찰이 없다면, 빗자루로 바닥을 깨끗하게 청소할 수 없고 힘이 전달된 물체를 임의의 위치에서 고정시킬 수도 없습니다.

산업 공정의 예로는 나사를 체결해 고정시키거나, 압연을 통해 제품을 생산, 자동차의 속도를 줄이는 브레이크의 역할 등 마찰을 통해 제품을 생산하고 유지할 수 있는것 입니다.

*마찰의 법칙은 다음과 같습니다_쿨롱(Coulomb)-1875년

1)정지 마찰은 운동 마찰보다 클 수 있다.

2)마찰은 슬라이딩 속도에 무관하다.

3)마찰력은 가해지는 하중에 비례한다.

4)마찰력은 접촉 면적에 영향을 받지 않는다.

2. 마찰계수의 정의와 일상 속 마찰계수

물체 간 마찰을 설명하는 주요 정의 중 하나는 마찰계수입니다. 마찰계수(μ)는 마찰력(F)를 하중(N)으로 나눈 값을 나타내는 계수입니다. (μ=F/N)

마찰계수는 상황에 따라 크게 다를 수 있습니다. 아주 잘 윤활된 베어링의 경우 0.03 정도의 낮은 값이 나타납니다.

반면 건조한 슬라이딩이나 진공 상태에서 청결한 금속 표면 간 마찰에서는 최대 5의 값이 나타낼 수 있습니다.

일상에서 편안한 걷기를 위해서는 0.2에서 0.3 정도의 마찰계수가 적당하며, 빙판에서 걷는 경우에는 마찰계수가 최소 0.05 미만으로 미끄러질 수 있습니다. 또한 미끄러운 바닥에서는 0.15 정도의 값이 측정됩니다.

우리 몸에서 무릎 관절의 마찰계수는 0.02로, 쉽게 걸을 수 있도록 윤활이 잘되어 있습니다.

3. 마찰계수 측정과 마찰력의 발생 원리

1) 마찰계수 측정 방법

마찰계수를 측정하는 방법 중 하나는 하중을 통한 정적 및 동적 마찰계수 측정입니다.

표면이 특정 각도(마찰 각도)로 기울어지면 평평한 표면위의 물체가 움직이기 시작합니다 정적 마찰 계수는 다음과 같이 측정됩니다.

하지만, 이러한 측정 결과는 표면의 상태 및 청결도와 측정 시스템의 특성에 따라 달라질 수 있습니다.

즉 마찰계수는 고유하고 명확하게 정의된 재료 속성이 아니라는 사실을 알아야 합니다.

2) 마찰력의 발생 원리

마찰력은 물체의 움직임을 저항하는 중요한 요소입니다.

아무리 완벽한 표면을 만든다 하더라도, 고배율로 살펴보면 표면에는 굴곡, 고저가 있습니다.

두 물체의 표면이 마찰 될 때에 표면 전체가 접촉되어 있는것이 아니라 실제로는 표면 굴곡의 점에서만 접촉되어 있습니다.

이 점들에서 접촉 압력이 두 물체 중 약한 재질의 경도에 가까워 지면, 국부적 범위에서 소성변형이 발생하고

두 물체 간 접합부가 생길 수 있습니다. 마찰(미끄럼, 슬라이딩)이 계속되면 접합부가 끊어지게 되고 플라스틱의 경우는 두 물체 간의 접착성(접착력)을 제공합니다.

이러한 마찰 메커니즘 외에도 다양한 마찰력 발생 메커니즘이 있으며 마찰력은 측정 환경, 표면 거칠기, 산화물이나 흡착막의 존재 여부에 따라 다를 수 있습니다.

마찰로 인해 물체의 국부적 부분이 짧은 시간동안 열이 나고 식기도 하면서 소성 일어나기에 일정한 마찰력이 발생하지 않을 수 있습니다.

글을 마무리 하자면, 마찰은 우리 일상생활과 산업과정에서 중요한 역할을 하는 현상으로, 그 원리와 관련된 여러 가지 이론들이 제안되어 왔습니다. 다양한 상황에서 마찰계수와 관련된 여러 원리들을 이해하고 적용할 수 있다면, 에너지 소모를 줄이고 더 효율적인 성능을 얻을 수 있을 것입니다.

감사합니다.