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마찰

Friction
그림 1: 정적 마찰 상호작용을[1] 나타내는 프랙탈 거친 표면을 가진 모의 블록

마찰력은 고체 표면, 유체층 및 재료 요소[2]서로 미끄러지는 상대적인 움직임에 저항하는 입니다.마찰에는 몇 가지 유형이 있습니다.

  • 건식 마찰력은 접촉하는 두 고체 표면의 상대적인 횡방향 운동에 반대되는 힘입니다.건식마찰은 비운동면 의 정적마찰("고정")과 운동면 간의 동적마찰로 세분된다.원자 또는 분자 마찰을 제외하고 건식 마찰은 일반적으로 아스퍼리티로 알려진 표면 특징의 상호작용에서 발생한다(그림 1 참조).
  • 유체 마찰은 [3][4]서로 상대적으로 움직이는 점성 유체의 층 사이의 마찰을 말합니다.
  • 윤활 마찰은 윤활유가 개의 고체 [5][6][7]표면을 분리하는 유체 마찰의 경우입니다.
  • 피부 마찰은 물체의 표면을 가로지르는 유체의 움직임에 저항하는 힘인 항력의 구성요소입니다.
  • 내부 마찰은 고체 물질을 구성하는 요소 간의 움직임에 저항하는 힘으로 변형되는 [4]것을 말합니다.

접촉면이 서로 상대적으로 움직이면 두 표면 사이의 마찰에 의해 운동 에너지열에너지변환됩니다(즉, 작업을 변환).이 성질은 불을 내기 위해 나무 조각들을 비벼서 생기는 마찰의 사용에서 보여지듯이 극적인 결과를 초래할 수 있습니다.운동 에너지는 예를 들어 점성 유체가 교반될 때 마찰이 있는 움직임이 발생할 때마다 열에너지로 변환됩니다.다양한 유형의 마찰로 인한 또 다른 중요한 결과로는 성능 저하 또는 구성 요소의 손상을 초래할 수 있는 마모도 있습니다.마찰은 트라이볼로지 과학의 구성요소이다.

마찰은 지상에서 움직임을 용이하게 하기 위해 트랙션을 공급하는데 바람직하고 중요하다.대부분의 육상 차량은 가속, 감속 및 방향 전환을 위해 마찰에 의존합니다.트랙션이 갑자기 감소하면 제어력 상실 및 사고의 원인이 될 수 있습니다.

마찰 자체는 근본적인 힘이 아닙니다.건식 마찰은 표면 간 접착, 표면 거칠기, 표면 변형 및 표면 오염의 조합에서 발생합니다.이러한 상호작용의 복잡성은 제1원칙으로부터의 마찰 계산을 비현실적으로 만들고 분석과 이론 개발을 위한 경험적 방법의 사용을 필요로 한다.

마찰력은 보존력이 아닙니다.마찰에 대한 작업은 경로에 따라 달라집니다.마찰이 있을 때 일부 운동 에너지는 항상 열에너지로 변환되기 때문에 기계적 에너지는 보존되지 않습니다.

★★★

아리스토텔레스, 비트루비우스, 그리고플리니우스포함한 그리스인들은 [8]마찰의 원인과 완화에 관심이 있었다.그들은 350년에 테미스티우스와의 정적인 마찰과 운동적인 마찰의 차이를 알고 있었다.A.D. "움직이는 물체의 움직임을 촉진하는 [8][9][10][11]것이 정지해 있는 물체의 움직임보다 더 쉽다.

미끄럼 마찰의 고전적인 법칙은 트리볼로지선구자인 레오나르도 다빈치에 의해 1493년에 발견되었지만, 그의 노트에 기록된 법칙은 출판되지 [12][13][14][15][16][17]않았고 알려지지 않은 채로 남아있었다.이 법칙들은 1699년[18] 기욤 아몬톤에 의해 재발견되었고 아몬톤의 3가지 건식 마찰 법칙으로 알려지게 되었다.아몬톤은 표면의 불규칙성과 표면을 함께 누르는 중량을 증가시키는 데 필요한 힘의 측면에서 마찰의 특성을 나타냈다.이 견해는 베르나르 포레스트벨리도르[19] 레온하르트 오일러(1750)에 의해 더욱 상세하게 설명되었는데, 그는 경사면에서 무게의 정지각을 도출하고 정적 마찰과 운동 [20]마찰 사이를 최초로 구별했다.John Theophilus Desaguliers (1734)는 [21]마찰에서 유착의 역할을 처음으로 인식했다.그는 마찰력이 접착면을 찢어내기 위해 필요한 힘이라고 제안했다.

마찰에 대한 이해는 샤를 오귀스틴 드 쿨롱(1785년)[18]에 의해 더욱 발전되었다.쿨롱은 마찰에 대한 네 가지 주요 요인의 영향을 조사했습니다: 접촉하는 물질의 특성 및 표면 코팅, 표면적의 범위, 정상 압력(또는 하중), 표면이 접촉한 시간(정지 [12]시간)입니다.쿨롱은 제안된 마찰의 성질에 대한 다른 설명들 사이에서 결정하기 위해 슬라이딩 속도, 온도 및 습도의 영향을 추가로 고려했다.정적 마찰과 동적 마찰의 구별은 쿨롱의 마찰 법칙(아래 참조)에서 만들어졌지만, 이 구별은 1758년 [12]요한 안드레아스 폰 세그너에 의해 이미 그려졌습니다.휴식 시간의 효과는 파이버 소재의 표면을 고려함으로써 Pieter van Musscenbroek(1762)에 의해 설명되었으며, 섬유는 서로 맞물려 마찰이 증가하는 유한한 시간을 필요로 한다.

레슬리(1766–1832)는 아몬톤과 쿨롱의 관점의 약점을 지적했다.만약 추가 연속적인 아스퍼리티의 경사면을 끌어당기는 것에서 마찰이 일어난다면, 왜 반대쪽 경사면을 내려오면서 균형을 이루지 못하는가?레슬리는 전반적으로 운동을 [12]지연시키는 것과 같은 가속 경향을 가져야 하는 데 있어 Deaguliers에 의해 제안된 유착의 역할에 대해 똑같이 회의적이었다.레슬리의 관점에서, 마찰은 이전의 공동에 새로운 장애물을 만드는 평평해지고 아스퍼시티를 누르는 시간의존적인 과정으로 보여져야 한다.

Arthur Jules Morin (1833)은 미끄럼 대 롤링 마찰의 개념을 개발했다.오스본 레이놀즈(1866)는 점성 흐름의 방정식을 도출했다.이로써 오늘날 [13]공학에서 일반적으로 사용되는 마찰(정적, 운동적 및 유체)의 고전적인 경험적 모델이 완성되었습니다.1877년 Fleeming Jenkin과 J. A. 유잉은 정적 마찰과 운동 [22]마찰 사이의 연속성을 조사했다.

20세기 동안 연구의 초점은 마찰의 배후에 있는 물리적 메커니즘을 이해하는 것이었다.Frank Philip Bowden과 David Tabor(1950)는 미시적 수준에서 표면 사이의 실제 접촉 면적이 겉으로 보이는 [14]면적의 극히 일부라는 것을 보여주었다.아스퍼리티에 의해 유발되는 이 실제 접촉 면적은 압력에 따라 증가한다.원자력 현미경의 개발(1986년 경)은 과학자들이 원자 [13]규모의 마찰을 연구할 수 있게 했으며, 그 규모에서 건식 마찰은 표면전단 응력과 접촉 영역의 산물임을 보여주었다.이 두 발견은 아몬톤의 제1법칙(아래)을 설명한다. 즉, 건조한 표면 사이의 정상력과 정적 마찰력 사이의 거시적 비례성이다.

에 걸쳐 되었으며, 세 가지 되었다.

  • Amontons 제1법칙:마찰력은 가해진 하중에 정비례합니다.
  • Amontons의 제2법칙:마찰력은 겉으로 보이는 접촉 영역과는 무관합니다.
  • 쿨롱의 마찰 법칙: 운동 마찰은 슬라이딩 속도와 무관합니다.

건식 마찰은 접촉하는 두 고체 표면의 상대적인 횡방향 움직임에 저항합니다.건식 마찰의 두 가지 방식은 움직이지 않는 표면 간의 '정적 마찰'("고정")과 움직이는 표면 간의 운동 마찰(슬라이드 마찰 또는 동적 마찰이라고도 함)입니다.

샤를 오귀스틴 드 쿨롱의 이름을 딴 쿨롱 마찰은 건식 마찰력을 계산하는 데 사용되는 대략적인 모델입니다.다음 모델에 의해 제어됩니다.

서 ''는

  • f{\ 각 표면이 다른 면에 가하는 마찰력입니다.이는 표면과 평행하며, 순가해지는 힘과 반대 방향으로 평행합니다.
  • μ 마찰계수로서 접촉물질의 경험적 특성이다.
  • n {\ 각 표면이 다른 표면에 가하는 수직(정규) 방향의 힘입니다.

쿨롱 f {\ 0 ~ n(\ F_의 임의의 값을 취할 수 있으며, 표면에 대한 마찰력의 방향은 마찰이 없을 때 발생하는 운동과 반대입니다.따라서 정적인 경우, 마찰력은 표면 간의 움직임을 방지하기 위해 정확히 필요한 힘입니다. 마찰력은 그러한 움직임을 일으키는 경향이 있는 순력의 균형을 잡습니다.이 경우, 쿨롱 근사치는 실제 마찰력의 추정치를 제공하는 것이 아니라, 이 힘에 대한 역치를 제공하며, 이 값을 초과하면 운동이 시작됩니다.이 최대 힘을 트랙션이라고 합니다.

마찰력은 항상 두 표면 사이의 움직임(운동 마찰의 경우) 또는 잠재적 움직임(정적 마찰의 경우)에 반대되는 방향으로 작용합니다.예를 들어, 얼음을 따라 미끄러지는 컬링 스톤은 운동력이 느려지는 것을 경험한다.예를 들어, 가속 중인 자동차의 구동 휠은 전방으로 향하는 마찰력을 경험합니다. 그렇지 않으면 바퀴가 회전하고 고무는 인도를 따라 뒤로 미끄러집니다.반대되는 차량의 이동 방향이 아니라 타이어와 도로 사이에서 미끄러지는 (잠재적) 방향이라는 점에 유의하십시오.

력력

램프 위의 블록에 대한 자유 차체 다이어그램입니다.화살표는 힘의 방향과 크기를 나타내는 벡터입니다.N정상력, mg는 중력, Ff 마찰력이다.

정상력은 두 개의 평행한 표면을 함께 압축하는 순력으로 정의되며, 그 방향은 표면에 수직입니다.단순한 질량이 수평면에 놓여 있는 경우, N g { N =에 의한 힘만이 정상력의 유일한 성분이며, 이때 평형상태는 마찰력의 크기가 0 인 것을 알 수 있다.Lways는 F \N하며, 슬라이딩을 시작하기에 충분한 경사가 있는 임계 램프 각도 - 1 주어짐)에서만 동등성에 도달합니다.

마찰 계수는 표면 거칠기와 같은 접촉 물질의 다양한 측면에만 의존하는 경험적(실험적으로 측정된) 구조적 특성입니다.마찰계수는 질량이나 부피의 함수가 아니다.예를 들어, 큰 알루미늄 블록은 작은 알루미늄 블록과 같은 마찰 계수를 가집니다.그러나 마찰력 자체의 크기는 상력에 따라 달라지며, 따라서 블록의 질량에 따라 달라진다.

상황에 따라 N N 계산에는 중력 이외의 힘이 포함될 수 있습니다.물체가 평평한 표면에 있고 미끄러지는 경향이 있는 P(\ P를 받는 경우, 물체와 표면 사이의 정상력은 N + y(\ N+)입니다. ( mg 블록의 중량, { 외력의 하방 성분)슬라이딩 전 마찰력은 f - x }=-이며, x {\ 외력의 수평 성분입니다.따라서 으로 F f N N입니다.이 마찰력이 F }=\N에 도달한 후에만 슬라이딩이 시작되며, 이때까지는 마찰력만으로 평형을 얻을 수 있으므로 단순한 반응으로 취급할 수 있다.

물체가 경사면 등 경사면에 있는 경우, 중력의 수직이 적기 때문에 중력에 의한 은 m g mg보다 작다.통상력과 마찰력은 최종적으로 벡터 분석을 사용하여 결정되며, 보통 자유체 다이어그램을 통해 결정됩니다.

일반적으로 마찰에 의한 정적인 문제를 해결하기 위한 프로세스는 접촉면을 잠정적으로 움직이지 않는 것으로 취급하여 이들 사이의 대응하는 접선반력을 계산할 수 있도록 하는 것이다.이 마찰력이 f N N을 만족한다면 잠정적인 가정은 맞으며 실제 마찰력이다.그렇지 않으면 마찰력을 f N({}=\ N과 동일하게 설정해야 하며, 그 결과 힘의 불균형이 미끄러짐과 관련된 가속도를 결정합니다.

마찰 계수

종종 그리스 문자 θ로 상징되는 마찰 계수(COF)는 두 물체 사이의 마찰력과 미끄러짐 시작 시 함께 누르는 힘의 비율과 같은 무차원 스칼라 값이다.마찰 계수는 사용되는 재료에 따라 달라집니다. 예를 들어 강철의 얼음은 마찰 계수가 낮은 반면 포장 위의 고무는 마찰 계수가 높습니다.마찰 계수의 범위는 거의 0에서 1보다 큽니다.유사한 금속의 두 표면 간 마찰 계수는 서로 다른 금속의 두 표면 간 마찰 계수보다 큽니다. 예를 들어, 황동을 황동에 대해 이동할 때는 마찰 계수가 높지만 강철 [23]또는 알루미늄에 대해 이동할 때는 마찰 계수가 낮습니다.

서로 상대적인 정지면의 s \ \ _ { \ s \ \ _ { \ { 정적 마찰 계수입니다.이것은 보통 운동량보다 크다.접촉 표면 쌍에 의해 나타나는 정적 마찰 계수는 재료 변형 특성과 표면 거칠기의 조합 효과에 따라 달라지며, 두 가지 모두 각 벌크 재료의 원자 및 재료 표면과 흡착된 재료 사이의 화학적 결합에서 비롯된다.표면 아스퍼리티의 스케일링 거동을 설명하는 파라미터인 표면의 프랙탈리티는 정적 [1]마찰의 크기를 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

인 표면의 경우 k \ = \mu {k k \ _ 운동마찰계수이다.쿨롱 마찰은 F {\와 같으며, 각 표면의 마찰력은 다른 표면에 대한 움직임과 반대 방향으로 작용합니다.

Arthur Morin은 이 용어를 도입했고 마찰 [12]계수의 효용성을 입증했다.마찰계수는 경험적 측정치입니다.실험적으로 측정해야 하며 [24]계산을 통해서는 찾을 수 없습니다.표면이 거칠수록 유효값이 더 높은 경향이 있습니다.정적 마찰 계수와 동적 마찰 계수는 접촉하는 표면 쌍에 따라 달라집니다. 주어진 표면 쌍에 대해 정적 마찰 계수는 일반적으로 운동 마찰 계수보다 큽니다. 일부 집합에서는 테프론-온-테프론과 같이 두 계수가 동일합니다.

조합된 대부분의 건조 재료는 마찰 계수 값이 0.3에서 0.6 사이입니다.이 범위를 벗어나는 값은 더 드물지만 예를 들어 테플론의 계수는 0.04까지 낮을 수 있습니다.값이 0이면 마찰이 전혀 없고 이해하기 어려운 특성이 됩니다.다른 표면과 접촉하는 고무는 1에서 2까지의 마찰 계수를 산출할 수 있습니다.때때로 μ는 항상 < 1이라고 유지되지만 이는 사실이 아닙니다.대부분의 관련 어플리케이션에서는 μ < 1보다 큰 값은 단순히 물체를 표면을 따라 미끄러뜨리는 데 필요한 힘이 물체에 가해지는 일반적인 힘보다 크다는 것을 의미합니다.예를 들어 실리콘 고무 또는 아크릴 고무 코팅 표면은 마찰 계수가 1보다 상당히 클 수 있습니다.

COF는 종종 "물질적 속성"이라고 언급되지만, "시스템 속성"으로 더 잘 분류됩니다.실제 재료 특성(전도율, 유전율, 항복 강도 등)과 달리, 두 재료의 COF는 온도, 속도, 대기 및 현재 일반적으로 노화 및 디에이징 시간으로 묘사되는 시스템 변수와 재료 간 계면의 기하학적 특성(표면)에 따라 달라집니다. 구조화됩니다.[1]예를 들어 두꺼운 구리판에 접동하는 구리 핀의 COF는 마찰 가열에 의해 구리 표면이 녹기 시작하면 저속에서는 0.6에서 고속에서는 0.2 미만으로 변화할 수 있습니다.물론 후자의 속도가 COF를 고유하게 결정하는 것은 아닙니다. 마찰 가열이 빠르게 제거되도록 핀 직경이 증가하면 온도가 떨어지고 핀이 고체 상태를 유지하며 COF가 '저속' 테스트 속도로 상승합니다."Coefficient of Friction - an overview - ScienceDirect Topics". Retrieved 9 May 2022.

대략적인 마찰 계수

자재 마찰, s {\ _ 운동/슬라이딩 , k \ \ _ { \ { } ,}
건조하고 깨끗함 윤활유 건조하고 깨끗함 윤활유
알루미늄 강철 0.61[25] 0.47[25]
알루미늄 알루미늄 1.05~1.35[25] 0.3[25] 1.4[25]~1[26].5
골드 골드 2.5[26]
플래티넘 플래티넘 1.2[25] 0.25[25] 3.0[26]
실버 실버 1.4[25] 0.55[25] 1.5[26]
알루미나 세라믹 질화규소 세라믹 0.004(표준)[27]
세라믹 합금14 AlMgB(BAM) 붕화티타늄(TiB2) 0.04~0.05[28] 0.02[29][30]
금관 악기 강철 0.35~0.51[25] 0.19[25] 0.44[25]
주철 구리 1.05[25] 0.29[25]
주철 아연 0.85[25] 0.21[25]
구체적인 고무 1.0 0.30(표준) 0.6~0.85[25] 0.45 ~ 0.75 (표준)[25]
구체적인 나무 0.62[25][31]
구리 유리 0.68[32] 0.53[32]
구리 강철 0.53[32] 0.36[25][32] 0.18[32]
유리 유리 0.9~1[25][32].0 0.005 ~ 0.01[32] 0.4[25][32] 0.09~0.199[32]
인간 활액 인간 연골 0.01[33] 0.003[33]
얼음 얼음 0.02~0.09[34]
폴리에테네 강철 0.2[25][34] 0.2[25][34]
PTFE(테프론) PTFE(테프론) 0.04[25][34] 0.04[25][34] 0.04[25]
강철 얼음 0.03[34]
강철 PTFE(테프론) 0.04[25]~0[34].2 0.04[25] 0.04[25]
강철 강철 0.74[25]~0.80[34] 0.005–0.스물세[32][34] 0.42~0.62[25][32] 0.029~0.19[32]
나무 메탈 0.2~0[25][31].6 0.2(표준)[25][31] 0.49[32] 0.075[32]
나무 나무 0.25~0.62[25][31][32] 0.2(표준)[25][31] 0.32~0.48[32] 0.067~0.199[32]

특정 조건에서 일부 재료는 마찰 계수가 매우 낮습니다.예를 들어 마찰계수가 0.01 [35]미만일 수 있는 (고차 열분해) 흑연을 들 수 있습니다.이 초저마찰체계는 초강력이라고 불린다.

정적 마찰

질량이 움직이지 않을 때 물체는 정적 마찰을 겪습니다.블록이 움직일 때까지 가해지는 힘이 증가함에 따라 마찰이 증가합니다.블록이 이동한 후에는 최대 정적 마찰보다 적은 운동 마찰이 발생합니다.

정적 마찰은 서로 움직이지 않는 두 개 이상의 고체 물체 간의 마찰입니다.예를 들어 정적 마찰은 물체가 경사면에서 미끄러지는 것을 방지할 수 있습니다.일반적으로 μ로 표시되는s 정적 마찰 계수는 일반적으로 운동 마찰 계수보다 높습니다.정적 마찰은 고체 표면에서 여러 길이 척도에 걸친 표면 거칠기 특징의 결과로 발생하는 것으로 간주된다.아스퍼리티라고 하는 이러한 특징은 나노스케일 치수까지 존재하며, 외관상 또는 명목상 접촉 [36]영역의 극히 일부에 불과한 제한된 수의 지점에서만 진정한 고체 대 고체 접촉이 발생합니다.가해진 하중과 진접촉 영역 사이의 직선성은 거칠기 변형에서 발생하며, 전형적인 아몬톤-쿨롬형 [37]마찰에서 발견되는 정적 마찰력과 정상력 사이의 직선성을 발생시킨다.

정적 마찰력은 물체가 움직이기 전에 가해지는 힘에 의해 극복되어야 합니다.슬라이드가 시작되기 전 두 표면 사이에 가능한 최대 마찰력은 정적 마찰 계수와 정상력의 곱이다: max n }=\ _ 슬라이드가 발생하지 않을 경우 마찰력은 0부터 0까지의 값을 가질 수 있다. 보다 작은 힘은 동일한 크기와 반대 방향의 마찰력에 의해 됩니다. F_보다 큰 힘은 정적 마찰력을 극복하여 슬라이딩이 발생합니다.순간 미끄러짐이 일어나면 정적 마찰이 더 이상 적용되지 않습니다. 두 표면 사이의 마찰은 운동 마찰이라고 불립니다.단, 진정한 정마찰이 [38]0인 경우에도 명백한 정마찰을 볼 수 있다.

정적 마찰의 예로는 자동차 바퀴가 지면에서 구를 때 미끄러지는 것을 방지하는 힘이 있습니다.바퀴가 움직이고 있어도 지면과 접촉하는 타이어의 패치는 지면에 대해 정지되어 있기 때문에 운동 마찰이 아니라 정적인 것입니다.미끄러지면 휠 마찰이 운동 마찰로 바뀝니다.안티 브레이크 시스템은 잠긴 휠이 회전을 재개하여 차량이 정적 마찰을 유지하도록 하는 원리로 작동합니다.

움직임이 임박한 경우 정적 마찰의 최대값을 한계 [39]마찰이라고 부르기도 하지만, 이 용어는 [3]보편적으로 사용되지 않습니다.

운동 마찰

동적 마찰 또는 미끄럼 마찰로도 알려진 운동 마찰은 두 물체가 서로 상대적으로 움직이며 함께 마찰할 때 발생합니다(지상의 썰매처럼).운동 마찰 계수는 일반적으로 μ로 표시되며k, 일반적으로 동일한 재료에 [40][41]대한 정적 마찰 계수보다 작습니다.그러나 리처드 파인만은 "건조 금속의 경우 어떤 [42]차이도 보여주기가 매우 어렵다"고 말한다.슬라이딩 시작 후 두 표면 간의 마찰력은 운동 마찰 계수와 정규력의 곱입니다. k k \ _ { k } = \ _ { \ { F { } }는 진동 또는 진동 시스템의 쿨롱 감쇠의 원인이 됩니다.

새로운 모델들은 어떻게 운동 마찰이 [43]정적 마찰보다 클 수 있는지를 보여주기 시작하고 있다.현재 많은 경우에서 운동 마찰은 주로 표면 간의 [44]화학적 결합에 의해 유발되는 것으로 이해되고 있다. 그러나 다른 많은 경우, 예를 들어 고무와 도로 [43]마찰에서 거칠기 효과가 지배적이다.표면 거칠기와 접촉 면적은 표면적 힘이 관성력을 지배하는 [45]미세 및 나노 스케일 물체의 운동 마찰에 영향을 미친다.

나노 규모의 운동 마찰의 기원은 열역학에 [46]의해 설명될 수 있다.슬라이딩 시 슬라이딩 트루 접점의 후면에 새로운 표면이 형성되고, 그 전면에서 기존 표면이 사라집니다.모든 표면은 열역학적 표면 에너지를 수반하기 때문에 새로운 표면을 만드는 데 노력을 기울여야 하며, 표면 제거 시 에너지가 열로 방출됩니다.따라서 접점의 배면을 이동시키기 위한 힘이 필요하며, 전방에서 마찰열이 방출된다.

막 블록이 미끄러지기 시작할 때의 마찰각 θ.

마찰각

특정 용도에서는 항목 중 하나가 미끄러지기 전에 정적 마찰을 최대 각도로 정의하는 것이 더 유용합니다.이것은 마찰각 또는 마찰각이라고 불립니다.다음과 같이 정의됩니다.

해서 '아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아, 맞다.
여기서(\ 수평으로부터의 각도이고s μ는 [47]물체 간의 정적 마찰 계수입니다.이 공식은 마찰각의 경험적 측정에서 μ를 계산하는s 데도 사용할 수 있습니다.

원자 수준의 마찰

원자를 서로 움직이기 위해 필요한 힘을 결정하는 것은 나노기계를 설계하는 데 있어 어려운 과제이다.2008년에 과학자들은 처음으로 하나의 원자를 표면을 가로질러 움직일 수 있었고 필요한 힘을 측정할 수 있었다.초고진공과 거의 0에 가까운 온도(5K)를 사용하여 수정된 원자력 현미경을 사용하여 코발트 원자일산화탄소 분자구리[48]백금 표면에 끌어다 놓았습니다.

쿨롱 모델의 한계

쿨롱 근사치는 다음과 같은 가정에 따라 표면은 전체 면적의 극히 일부에 대해서만 원자적으로 근접 접촉하고, 이 접촉 면적이 (모든 면적이 원자 접촉할 때 발생하는 포화 상태까지) 정상력에 비례하며, 마찰력은 적용된 노름에 비례한다.접촉 영역과는 무관하게 모든 힘을 가합니다.쿨롱 근사치는 기본적으로 경험적 구조입니다.이것은 매우 복잡한 물리적 상호작용의 대략적인 결과를 설명하는 일반적인 규칙입니다.이 근사치의 강점은 단순성과 다용도입니다.비록 정규력과 마찰력의 관계가 정확히 선형적이지는 않지만(따라서 마찰력은 표면의 접촉 면적과 완전히 독립적이지 않음), 쿨롱 근사치는 많은 물리적 시스템의 분석에 적합한 마찰 표현이다.

표면이 접합되면 쿨롱 마찰이 매우 약해집니다(예를 들어 접착 테이프는 정상적인 힘이 없거나 음의 정상적인 힘이 없는 경우에도 미끄러지지 않습니다).이 경우 마찰력은 접촉 면적에 따라 크게 달라질 수 있다.일부 드래그 레이싱 타이어는 이러한 이유로 접착성이 있습니다.그러나 마찰의 배후에 있는 기초 물리학의 복잡함에도 불구하고, 그 관계는 많은 응용 분야에서 유용하게 쓰일 만큼 충분히 정확합니다.

"음" 마찰 계수

2012년 현재 단일 연구에서 저부하 상태에서 효과적으로 음의 마찰 계수의 가능성이 입증되었으며, 이는 정상적인 힘의 감소가 마찰의 증가로 이어진다는 것을 의미한다.이것은 정상적인 힘의 증가가 [49]마찰의 증가로 이어지는 일상적인 경험과 배치된다.이는 2012년 10월 네이처 저널에 발표됐으며 그래핀 흡착 [49]산소가 존재하는 상태에서 그래핀 시트로 끌어다닐 때 원자력 현미경 스타일러스가 부딪힌 마찰과 관련이 있다.

쿨롱 모델의 수치 시뮬레이션

단순화된 마찰 모델임에도 불구하고 쿨롱 모델은 멀티바디 시스템입상 재료와 같은 많은 수치 시뮬레이션 애플리케이션에서 유용합니다.쿨롱 마찰과 쌍방향 또는 일방적 [50][51][52][53][54]접촉을 효율적으로 수치적으로 통합하기 위해 특정 알고리즘을 설계해야 하지만, 가장 간단한 표현조차도 많은 경우에 필요한 고착과 슬라이드의 근본적인 효과를 캡슐화한다.이른바 '팡레베 역설'과 같은 일부 비선형 효과는 쿨롱 [55]마찰에 직면할 수 있습니다.

건식 마찰 및 불안정성

건식 마찰은 [56]마찰이 없을 때 안정적인 동작을 보이는 기계 시스템에서 여러 유형의 불안정성을 유발할 수 있습니다.이러한 불안정성은 미끄러짐 속도가 증가하는 마찰력의 감소, 마찰 중 발열로 인한 재료 팽창(열탄성 불안정성) 또는 두 개의 탄성 물질의 미끄러짐의 순수한 동적 효과(애덤스-마틴스 불안정성)에 의해 발생할 수 있다.후자는 1995년 조지 G에 의해 처음 발견되었다. Adams와 Joo Arménio Correia Martins는 매끄러운[57][58] 표면을 위해 사용되었으며 나중에 주기적인 거친 [59]표면에서 발견되었습니다.특히 마찰과 관련된 동적 불안정성은 브레이크 스퀼과 [60][61]유리 하프의 '노래'를 일으키는 것으로 생각되며,[62] 스틱과 미끄러짐이 관련된 현상이며 속도에 따른 마찰 계수의 강하로 모델링된다.

바이올린, 첼로, 허디거디, 얼후 등과 같은 활로악기의 현악기 자체 발진이다.

단순한 기계 시스템에서 건식 마찰과 플래터 불안정 사이의 연관성이 발견되었습니다.[63] 자세한 내용은 동영상을 참조하십시오.

마찰 불안정성은 슬라이딩 계면에서 새로운 자기 조직 패턴(또는 "2차 구조")을 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 자기 윤활 [64]재료의 마찰 및 마모를 줄이기 위해 사용되는 현장 형성 트리보필름입니다.

유체 마찰

유체 마찰은 서로 상대적으로 움직이는 유체층 사이에서 발생합니다.이 흐름에 대한 내부 저항은 점도라고 불립니다.일상적인 용어로 유체의 점도를 "두께"라고 합니다.따라서 물은 점도가 낮은 "얇은" 반면 꿀은 점도가 높은 "두꺼운" 것입니다.유체의 점성이 낮을수록 변형이나 이동이 용이해집니다.

모든 실유체(초유체 제외)는 전단 저항성을 어느 정도 제공하므로 점성이 있습니다.교육 및 설명 목적에는 비점성 유체 또는 전단 저항성이 없으므로 점성이 없는 이상적인 유체 개념을 사용하는 것이 유용합니다.

윤활 마찰

윤활 마찰은 유체가 두 개의 고체 표면을 분리하는 유체 마찰의 경우입니다.윤활은 윤활제라는 물질을 표면 사이에 끼워 서로 근접하게 움직이는 한쪽 또는 양쪽 표면의 마모를 줄이기 위해 사용되는 기술이다.

대부분의 경우 표면 간 윤활 오일의 움직임에 대한 마찰 점성 저항으로 인해 유체 내에서 발생하는 압력에 의해 가해지는 부하가 전달됩니다.적절한 윤활을 통해 베어링에 과도한 응력이나 발작 없이 가벼운 마모만으로 장비를 부드럽게 연속적으로 작동할 수 있습니다.윤활이 고장나면 금속 또는 기타 구성 요소가 서로 파괴적으로 마찰하여 열을 발생시키고 손상 또는 고장을 일으킬 수 있습니다.

피부 마찰

피부 마찰은 체액과 피부 사이의 상호작용에서 발생하며, 체액과 접촉하는 신체 표면 영역과 직접적으로 관련이 있습니다.피부 마찰은 항력 방정식을 따르며 속도의 제곱에 따라 상승합니다.

피부 마찰은 물체 주위의 경계층에서의 끈적끈적한 항력에 의해 발생합니다.피부 마찰을 줄이는 두 가지 방법이 있다: 첫 번째는 날개처럼 부드러운 흐름이 가능하도록 움직이는 몸을 만드는 것이다.두 번째 방법은 움직이는 물체의 길이와 단면을 최대한 줄이는 것이다.

내부 마찰

내부 마찰은 고체 물질을 구성하는 요소 간의 움직임에 저항하는 힘으로 변형되는 것을 말합니다.

고체의 소성 변형은 물체의 내부 분자 구조에 돌이킬 수 없는 변화이다.이러한 변화는 (또는 둘 다) 힘이 가해지거나 온도가 변화하기 때문일 수 있습니다.물체의 모양이 변하는 것을 변형이라고 한다.그것을 일으키는 힘을 스트레스라고 합니다.

고체의 탄성 변형은 물체의 내부 분자 구조의 가역적인 변화이다.스트레스가 반드시 영구적인 변화를 일으키는 것은 아니다.변형이 일어나면 내부 힘이 가해지는 힘에 반대합니다.가해진 응력이 너무 크지 않은 경우, 이러한 반대되는 힘은 가해진 힘에 완전히 저항할 수 있으며, 힘이 제거되었을 때 물체가 새로운 평형 상태를 가정하고 원래 모양으로 돌아갈 수 있습니다.이것은 탄성 변형 또는 탄성이라고 알려져 있습니다.

방사 마찰

가벼운 압력의 결과로, 1909년 아인슈타인은 물질[65] 움직임에 반대할 "방사 마찰"의 존재를 예측했다.그는 "방사선은 판의 양쪽에 압력을 가할 것이다.플레이트가 정지해 있을 경우 양쪽에서 가해지는 압력은 동일합니다.그러나 이동 중인 경우 운동 중에 앞면(앞면)에서 뒷면보다 더 많은 방사선이 반사됩니다.따라서 전면에 가해지는 압력의 역작용력은 뒷면에 가해지는 압력력보다 크다.따라서 두 힘의 합성으로 플레이트의 움직임에 대항하고 플레이트의 속도에 따라 증가하는 힘이 남는다.우리는 이것을 간단히 '방사선 마찰'이라고 부른다."

기타 마찰 유형

롤링 저항

굴림 저항은 물체나 표면의 변형으로 인해 발생하는 표면을 따라 바퀴나 다른 원형 물체가 굴리는 것을 저항하는 힘입니다.일반적으로 롤링 저항의 힘은 운동 [66]마찰과 관련된 힘보다 작습니다.굴림 저항 계수의 일반적인 값은 0.[67]001입니다.롤링 저항의 가장 일반적인 예 중 하나는 자동차 타이어가 도로에서 움직이는 것으로, 부산물로 [68]열과 소리를 발생시키는 프로세스입니다.

제동 마찰

브레이크가 장착된 모든 휠은 일반적으로 차량 또는 회전 기계의 속도를 늦추고 정지시키기 위해 큰 지연력을 발생시킬 수 있습니다.제동마찰은 굴림마찰의 마찰계수가 작기 때문에 굴림마찰과 다른 반면 제동마찰의 마찰계수는 브레이크패드용 재료를 선택하여 크게 설계되어 있다.

삼각 전기 효과

서로 다른 재료를 문지르면 정전하가 축적되어 인화성 가스나 증기가 존재할 경우 위험할 수 있습니다.정적 축적이 방전되면 가연성 혼합물의 점화에 의해 폭발이 발생할 수 있습니다.

벨트 마찰

벨트 마찰은 한쪽 끝이 당겨질 때 도르래를 감싼 벨트에 작용하는 힘으로부터 관찰되는 물리적 특성입니다.벨트의 양끝에 작용하는 장력은 벨트 마찰 방정식으로 모델링할 수 있습니다.

실제로 벨트 마찰 방정식에 의해 계산된 벨트 또는 로프에 작용하는 이론적 장력은 벨트가 지지할 수 있는 최대 장력과 비교할 수 있다.이를 통해 이러한 장치의 설계자는 벨트나 로프가 미끄러지지 않도록 도르래를 몇 번 감아야 하는지 알 수 있습니다.등산객과 요트 승무원은 기본 작업을 수행할 때 벨트 마찰에 대한 표준 지식을 시연합니다.

마찰 저감

장치들

휠, 볼 베어링, 롤러 베어링 및 에어 쿠션과 같은 장치나 다른 유형의 유체 베어링은 슬라이딩 마찰을 훨씬 작은 유형의 롤링 마찰로 바꿀 수 있습니다.

나일론, HDPE 및 PTFE와 같은 많은 열가소성 플라스틱 재료가 저마찰 베어링에 일반적으로 사용됩니다.특히 마찰계수는 부하가 [69]증가함에 따라 떨어지기 때문에 유용합니다.내마모성을 개선하기 위해 일반적으로 헤비듀티 또는 크리티컬 베어링에 대해 매우 높은 분자량 등급이 지정됩니다.

윤활제

마찰을 줄이는 일반적인 방법은 기름, 물 또는 그리스와 같은 윤활유를 사용하는 것입니다. 윤활유는 종종 마찰 계수를 크게 줄여줍니다.마찰과 윤활의 과학은 트라이볼로지라고 불린다.윤활유 기술은 특히 산업적 또는 상업적 목적에 윤활유를 과학의 적용과 혼합하는 것입니다.

최근 발견된 초강력 효과는 흑연에서 관찰되었습니다. 즉, 두 슬라이딩 물체 사이의 마찰이 크게 감소하여 0단계에 근접하는 것입니다.아주 적은 양의 마찰 에너지는 여전히 소멸될 것이다.

마찰을 극복하기 위한 윤활제는 항상 얇고 난류성 유체 또는 흑연 및 탈크와 같은 분말 상태의 고체일 필요는 없습니다. 음향 윤활제는 실제로 소리를 윤활제로 사용합니다.

두 부품 사이의 마찰을 줄이는 또 다른 방법은 부품 중 하나에 마이크로 스케일 진동을 중첩하는 것입니다.이는 초음파 보조 절단에 사용되는 사인파 진동 또는 진동 노이즈(디저라고 함)일 수 있습니다.

마찰 에너지

에너지 보존의 법칙에 따르면 관심 시스템에 의해 손실될 수 있지만 마찰에 의해 에너지가 파괴되지 않는다.에너지는 다른 형태에서 열 에너지로 변환됩니다.슬라이딩 하키 퍽은 마찰이 운동 에너지를 열로 변환하여 퍽과 얼음 표면의 열에너지를 상승시키기 때문에 정지합니다.열은 빠르게 사라지기 때문에, 아리스토텔레스를 포함한 많은 초기 철학자들은 움직이는 물체가 추진력 없이 에너지를 잃는다고 잘못 결론지었다.

물체가 경로 C를 따라 표면을 따라 밀리면, 열로 변환된 에너지는 일의 정의에 따라 적분에 의해 주어진다.

어디에

  • c { \ } _ { \ { 마찰력입니다.
  • n \ _{n 정상력의 크기에 물체의 움직임에 대한 단위 벡터를 곱한 벡터입니다.
  • k _ 위치마다 다를 수 있기 때문에 적분 내부에 있는 운동 마찰 계수이다(예를 들어 재료가 경로를 따라 변화하는 경우).
  • 객체의 위치입니다.

마찰의 결과로 시스템에 에너지가 손실되는 것은 열역학적 불가역성의 전형적인 예입니다.

마찰 작업

두 표면 사이의 계면 기준 프레임은 표면 간 변위가 없기 때문에 정적 마찰이 작동하지 않습니다.같은 기준범위에서 운동마찰은 항상 반대방향으로 작용하며 음의 [70]작용을 한다.그러나 마찰은 특정 기준 프레임에서 긍정적인 작용을 할 수 있습니다.무거운 상자를 깔고 재빨리 깔면 알 수 있다.이 경우, 박스는 러그에 대해 뒤로 미끄러지지만 바닥이 고정되어 있는 기준 프레임에 대해서는 앞으로 이동합니다.따라서 박스와 양탄자 사이의 운동마찰은 박스가 움직이는 방향과 같은 방향으로 박스를 가속시켜 긍정적인 [71]작용을 한다.

마찰에 의한 작업은 변형, 마모 및 열로 해석되어 접촉 표면 특성에 영향을 미칠 수 있습니다(표면 간의 마찰 계수도 마찬가지).이것은 연마할 처럼 유익할 수 있습니다.마찰 작업은 마찰 용접 공정과 같은 재료를 혼합하고 접합하는 데 사용됩니다.마찰력이 허용할 수 없는 수준으로 상승하여 작업 시 접합 슬라이딩 표면의 과도한 침식 또는 마모가 발생합니다.상대적인 움직임(프렛팅)으로 접합 표면 사이에 끼인 더 단단한 부식 입자는 마찰력의 마모를 악화시킵니다.마찰로 인해 표면이 마모되기 때문에 물체의 핏 및 표면 마감이 더 이상 [72]제대로 작동하지 않을 때까지 저하될 수 있습니다.예를 들어 베어링의 고착이나 고장은 마찰 작용으로 인한 과도한 마모로 인해 발생할 수 있습니다.

적용들

마찰은 많은 공학 분야에서 중요한 요소입니다.

교통.

  • 자동차 브레이크는 본질적으로 마찰에 의존하며, 운동 에너지를 열로 변환하여 차량의 속도를 늦춥니다.덧붙여서, 이렇게 많은 양의 열을 안전하게 분산시키는 것은 브레이크 시스템을 설계하는 데 있어 기술적인 과제 중 하나입니다.디스크 브레이크는 디스크와 브레이크 패드 사이의 마찰에 의존하며, 이 마찰은 회전하는 디스크에 대해 횡방향으로 압착됩니다.드럼 브레이크에서는 브레이크 슈 또는 패드가 회전하는 실린더(브레이크 드럼)에 바깥쪽으로 눌러져 마찰을 일으킵니다.브레이크 디스크는 드럼보다 더 효율적으로 냉각될 수 있기 때문에 디스크 브레이크는 정지 [73]성능이 우수합니다.
  • 레일 접착은 레일 위에 있는 열차의 그립 휠을 말합니다. 마찰 접촉 메커니즘을 참조하십시오.
  • 도로 미끄럼 방지 기능은 자동차의[74] 중요한 설계 및 안전 요소입니다.
    • 분할 마찰은 차량 양쪽의 다양한 마찰로 인해 발생하는 특히 위험한 상태입니다.
    • 도로의 질감은 타이어와 주행면의 상호작용에 영향을 미칩니다.

측정.

가정용 사용

  • 마찰은 성냥개비를 가열 및 점화하기 위해 사용됩니다(성냥개비 헤드와 성냥갑의 [75]마찰면).
  • 접착 패드는 표면과 물체 사이의 마찰 계수를 효과적으로 증가시켜 물체가 매끄러운 표면에서 미끄러지는 것을 방지하기 위해 사용된다.

「 」를 참조해 주세요.

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