[물리학]마찰력이란 무엇일까?

출처 : http://www.jemin.com/news/articleView.html?idxno=603052

비가 오는 날엔 자동차를 운전하는데 주의를 기울여야 한다는 이야기는 많이 들어봤을 것이다. 실제로 빗길에서 교통사고는 자주 일어나는 편이다. 교통사고가 일어나는 이유에는 여러 가지가 있겠지만 비가 오는 날에서의 교통사고의 주된 이유는 차가 빗길에서 미끄러지기 때문이다. 미끄러지는 이유는 간단하다. 빗물에 의해 바닥이 미끄러워지기 때문이다. 미끄러지는 과학적인 이유는 마찰력의 크기가 작아지기 때문이다.

 

1. 마찰력이란?

두 물체가 접촉하여 운동할 때 운동을 방해하는 힘을 마찰력이라고 한다. 항상 물질을 움직이게 만드는 힘과 반대 방향이며, 물질이 움직이는 평면과 평행한 방향으로 작용한다. 쉽게 이야기해서 우리가 5톤 트럭을 뒤에서 밀면 아무리 온 힘을 다하더라도 트럭은 우리를 비웃듯 움직이지 않을 것이다. 우리가 미는 힘의 반대 방향으로 마찰력이 작용을 하고 있기 때문이다. 반대로 손바닥 만한 장난감 트럭을 민다고 생각해보자. 잘 밀릴 것이다. 물리학에 대해 잘 모르는 사람이라도 이 두 가지 경우의 차이를 모를 수는 없다. 그렇다. 둘의 질량의 크기가 다르기 때문이다. 무거우면 밀기 힘들다는 것은 누구나 다 알고 있을 것이다. 이때 우리는 마찰력과 질량이 어떠한 연관이 있다는 것을 알 수 있다. 

 

결론부터 먼저 말하는 마찰력은 다음과 같은 식으로 표현을 할 수 있다.

마찰 계수 μ는 실험으로 측정된 경험값이다. 접촉면들의 물리적 특성뿐만 아니라 온도나 기압 같은 계의 특성에도 영향을 받는다. 기차 레일 같은 거만 봐도 날씨에 따라 늘어나기도 하고 줄어들기도 하는 것처럼.

 

마찰력에 관한 법칙은 크게 3가지다.

마찰력은 물체가 접촉면을 누르는 수직항력에 비례한다. 접촉면의 겉보기 넓이에 무관하다. 운동 마찰력은 미끄러지는 속도와 무관하다.

마찰력은 면적에 무관하다. 같은 물체에 대해, 접촉면이 좁아지면 마찰이 발생하는 면적은 작아지지만 수직 항력은 커지게 되어 마찰력이 변하지 않는다. 반대로 접촉면이 넓어지면 작용하는 면이 넓어지지만 수직 항력은 작아지게 되므로 역시 마찰력은 변하지 않는다.

 

2. 마찰력의 종류

마찰력은 크게 정지 마찰력과 운동 마찰력으로 구분 할 수 있다.

 

정지 마찰력

물체에 외력이 작용하여도 운동하지 않고 정지하고 있는 물체에 작용하는 마찰력을 정지 마찰력이라고 한다. 쉽게 이야기하면 운동의 시작을 방해하는 힘이다. 정지 마찰력은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

정지 마찰력은 접촉면에 대하여 물체를 움직이게 하려고 수평으로 힘을 가할 때부터 생긴다. 정지 마찰력은 물체와 접촉면에 따라 다르게 작용하고, 물체가 운동하려는 방향과 정반대 방향으로 물체에 작용한다. 힘을 가하여도 물체가 정지하고 있거나 등속도 운동을 하하고 있으면 외력과 마찰력의 크기는 같다. - 물체가 정지(알짜힘=0, 힘의 평형) : 끄는 힘 = 정지 마찰력 - 물체가 등속도 운동(알짜힘=0, 힘의 평형) : 끄는 힘 = 운동 마찰력

한마디로 정리하면 물체에 가하는 힘의 크기를 점점 증가시키면 정지 마찰력도 같은 크기의 반대방향으로 증가한다. 하지만 정지 마찰력은 한계가 있다. 미는 힘이 점점 커지다 보면 언젠가는 정지해있던 물체가 움직이기 시작할 것이다. 이때 물체가 막 움직이는 순간에 작용한 마찰력이 정지 마찰력 중에서 가장 크다. 이것을 우리는 최대 정지 마찰력이라고 부른다. 최대 정지 마찰력은 접촉면의 넓이에는 관계가 없고, 접촉면의 성질에 따라 달라진다. 예를 들면 콘크리트 바닥이랑 얼음바닥의 차이가 곧 접촉면의 성질이라고 보면 될 것 같다.

 

운동 마찰력

말 그대로 운동하는 동안에 작용하는 마찰력을 말한다. 예를 하나 들면 자동차가 급브레이크를 걸어도 몇 m 미끄러지면서 멈추게 되는 것은 지면과 타이어 사이에 운동을 방해하는 마찰력이 작용하고 있다.

우리가 물체를 밀 때, 물체가 움직이기 시작하면 힘이 좀 덜 든다는 것을 느낄 수 있을 것이다. 이는 운동 마찰력은 대개 최대 정지 마찰력보다 작기 때문이다. 수학적으로 마찰 계수 값이 운동할 때 더 낮기 때문이다. 물론 다 그런 것은 아니지만 일부 물질에서는 운동 마찰력이 더 큰 경우도 있지만 흔한 상황은 아니다. 운동 마찰력에도 2가지 종류가 있다. 물체가 미끄러질 때의 마찰력인 미끄럼마찰력과 둥근 물체가 구를 때의 마찰력인 굴림 마찰력이 있다. 어떤 것이 더 작을까? 당연히 굴림 마찰력이 비교자체가 웃길 정도로 작다. 무거운 것을 옮길 때 왜 바퀴를 다는지를 잘 생각해보자.

그리하여서 다음과 같은 식이 성립된다.

정지 마찰 계수 > 미끄럼 마찰 계수 > 굴림 마찰 계수

정지 마찰력과 마찬가지로 운동 마찰력력 역시 항상 운동 방향에 반대 방향이고, 가속도나 외력의 방향과는 관계가 없다.

 

3. 그래프로 정리하기

지금까지의 내용을 그래프로 요약해보자.

물체가 정지하고 있는 상태에서는 외력의 크기만큼 마찰력이 커진다. 기울기 값은 정지 마찰 계수가 된다.

마찰력은 움직이기 직전이 가장 크다.(최대 정지 마찰력) 그리고 물체가 움직이기 시작하면 마찰력의 크기는 일정하게 된다.(운동 마찰력)