마찰력에 관한 과학 토막 상식

안녕하세요?

과거 중고등학교를 거치면서 물리학 시간에 이런 마찰력에 관한 이야기는 항상 나왔던 것으로 기억을 하기는 합니다. 다만 이제와서 물리학과는 관련이 없이 사는 사람들에게는 다시 들으면 조금은 생소할 수도 있는 이 마찰력에 대해서 Newton 2018년 6월호에 간략하게 나마 소개가 되어 있었는데, 이에 따라 이번 포스팅은 관련된 내용을 올리고자 합니다.

먼저 위 그림의 묘사에서와 같이, 정지되어 있는 물체를 끌어 당기기 위해서 힘을 가하면 마찰력이라는 힘이 작용을 해서 반대쪽으로 힘이 작용을 하는데, 이 마찰력이 작용을 하기에 사람이 지면을 걷을 수 있고, 연필로 글씨를 쓸 수가 있다고 합니다.

이 마찰력에 대해서 설명을 하기 위해서는 먼저 '아몽드-쿨롱의 법칙(Amontons-Coulomb's Law)'라는 법칙이 있는데, 이 법칙에 의하면 마찰력은 위 그림의 묘사처럼, 겉보기 접촉 면적에 좌우되지 않는다고 합니다. 그래서 같은 물체를 눕히든 세우든 마찰력은 변하지 않는다고 합니다.

위 그림의 묘사에 나온 것처럼, 먼저 마찰력은 1번 그림의 묘사에서 처럼 무게에 비례하며, 그 마찰력 조차도 '운동 마찰력'이라고 해서 정지된 물체보다 이미 움직이는 물체에 더 작은 마찰력이 작용을 한다고 합니다. 이렇게 1번 마찰력은 겉보기 면적에 좌우되지 않고, 2번 마찰력의 크기는 무게에 비례하며, 3번 운동 마찰력은 정지 마찰력 보다 작다-> 이 3가지 법칙이 일반적으로 '아몽드-쿨롱의 법칙'이라고 해서 통용이 된다고 합니다.

그래서 기사에서는 이제 '미시적인 세계'로 들어가면 왜 마찰력이 생기는 것인가에 대해서 다루고 있는데, 우선은 어떤 표면의 물질이 되었건 간에 100% 평탄할 수는 없고, 표면에는 요철이 있을 수 밖에 없다고 합니다. 그래서 어떠한 상황이든 아래의 그림과 같이 된다고 합니다.

위 그림의 묘사처럼, 표면은 고르지 않고 수많은 요철이 있는데, 이 때문에 물체의 압력은 1곳에 집중이 되는 듯한 효과-실제로 두 물체가 붙은 지면은 상당히 작은 면적을 차지하고 있기에 엄청난 압력이 가해지게 된다고 합니다. 그래서 아래의 그림과 같은 과정을 거치면서 마찰력이 발생 한다고 합니다.

먼저 실질적인 접촉면 사이에서는 응착이라고 하는 과정이 일어나서 서로 다른 물체의 원자나 분자 사이에 작용하는 힘에 의해서 서로 달라붙게 됩니다. 이 상태에서 물체를 떼어 놓게하기 위해서는 서로 붙어 있는 이 상태를 떼어놓기 위한 힘이 필요한데, 이게 바로 '마찰력'의 정체라고 합니다.

그래서 윤활유와 같은 물질이 바닥에 접촉해 있는 물체 사이에 들어가면, 요철이 있는 물질의 표면이 직접 접촉하지 않아서 마찰력이 매우 작아 지거나 없어지는 효과를 보게 됩니다. 이것으로 마찰력에 대해서 알아보았는데, 문제는 '아몽드-쿨롱 법칙'이 항상 성립은 하지 않는다고 합니다. 그래서 아직까지는 마찰력에 대해서는 수수께끼가 많다고 합니다.