프롤로그
우리의 일상생활에서 수많은 물리현상들이 일어나고 있고 우리는 또 그러한 물리 현상들을 활용하며 살아나가고 있습니다.
대표적인 것이 마찰력입니다. 이 번 글에서는 마찰력이 무엇인지 물리적 관점과 실생활에서 지혜롭게 활용하는 관점으로 자세히 알아보도록 하겠습니다.
마찰력이란?
한 물체가 어떤 바닥면에 놓여 정지해 있을 때 관성 법칙(정지한 물체는 계속 정지해 있으려고 하는 현상) 이외에도 우리가 이 물체를 움직이려고 하면 방해하는 힘이 있습니다.
바로 물체와 바닥면 사이에 발생하는 마찰력입니다. 이 마찰력은 물체와 바닥면 사이의 마찰계수 μ(뮤)와 물체가 바닥면에 수직으로 가하는 힘, 즉 수직 항력 N의 곱으로 나타냅니다.
결국 수직 항력은 물체의 무게 mg 가 됩니다.
우리의 상식과 잘 맞지 않는 부분은 바로 접촉 면적이 커지면 함께 비례해서 마찰력도 커질 것처럼 생각되지만 실제로는 면적과는 무관하다는 것입니다. 마찰력은 오로지 접촉하는 물체와 바닥면 사이의 마찰계수와 물체의 무게에만 비례하는 것입니다.
여기서 m은 물체의 질량, g는 중력가속도입니다.
또한 마찰계수는 두 종류인데 정지한 물체가 움직이기 직전까지의 마찰계수를 정마찰 계수, 움직인 이후의 마찰계수를 동마찰 계수라고 합니다.
같은 물체와 바닥면이라도 항상 동마찰 계수는 정마찰 계수보다 작기 때문에 일단 미끄러진 물체의 마찰력은 정지해 있을 때의 마찰력에 비해 급격히 감소하게 됩니다.
이러한 물리 현상을 자동차에 잘 응용한 것이 바로 ABS (Anti-lock Brake System)입니다.
급제동에 의해 타이어가 노면에서 미끄러지면 마찰력이 급격히 떨어지면서 더 이상 바퀴는 회전하지 않고 조향이 되지 않는, 심각한 교통사고로이어질 수 있는현상이 발생합니다.
이러한 바퀴 잠김(Lock)을 방지하기 위해 운전자가 브레이크 페달을 한 번 밟더라도 자동으로 브레이크 ON과 OFF를 반복(1초에 최소 10회 이상)해서 작동시키는 시스템입니다.
타이어와 노면 사이의 마찰계수가 적정 수준으로 유지되어 미끄러지지 않고 일정한 접지력이 유지되도록 하는 안전 시스템인 것입니다.
빗길 특히 눈길이나 빙판길에서는 타이어와 노면의 마찰력이 매우 낮아지면서 제어가 안 되는 것이며 체인이나 스노타이어로 어느 정도 마찰계수를 증가시킬 수는 있으나 사고방지를 위해서는 저속 안전운전이 최선입니다.
빙판 길에서 대형트럭이나 버스가 상대적으로 덜 미끄러지는 것은 바로 수직 항력 즉 차량의 무게가 상대적으로 많이 나가서 전체 마찰력이 증가하기 때문입니다.
반대로 이러한 접촉면의 마찰력을 감소시켜야 하는 경우도 많습니다.
윤활유는 서로 접촉하는 두 경계면 사이의 마찰계수를 낮추어 마찰력을 최소화하고 열에 강해야 합니다.
기어가 맞물려 돌아가는 각종 기계 장치나 빡빡하게 잘 안 닫히는 도어, 동작할 때 소음이나 발생하는 부위 등 모두 경계면의 마찰력을 낮추어 주어야 하며 이때 사용하는 것이 윤활유인 것입니다.
공의 회전을 이용하는 스포츠인 탁구의 라켓은 공을 타격하는 부위가 고무 성분으로 되어 있어 마찰력이 매우 큽니다.
그렇지만 선수들은 경기 중에 수시로 탁구 라켓의 고무 부위를 항상 입김으로 불고 닦아내어 탁구 공과 고무 표면의 마찰력을 극대화하고 서브나 스매시할 때에 조금 더 강력한 회전을 탁구공에 주려고 노력합니다.
마찰이 지속되면 두 경계면에는 열이 발생하고 온도가 상승하며 심한 경우 불꽃까지 일어납니다.
마룻바닥에서 미끄러지거나 철봉 운동을 잘 못하면 피부에 화상을 입는 것도 이 때문입니다. 이것은 에너지 보존법칙에 의해 너무도 당연한 결과입니다. 운동하던 물체가 정지한다면 사라진 운동에너지는 마찰에 의해 열에너지로 전환되는 것입니다.
일상생활에서의 물리 법칙은 이래서 재미있습니다. 같은 현상인데 상황에 따라 어떤 경우에는 최대로 만들어야 하고 반대로 다른 경우에는 최소로 만들어야 하기 때문입니다.
