摩擦力

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摩擦力(まさつりょく、英語: friction)とは、二つの物体が接触している際に、その接触面に平行な方向に働く力。

ざらざらで水平な机の上で、ある質量をもった物体を水平方向に引っ張る場合と、なめらかな氷の上で同様に物体を引っ張る場合とでは、その物体を動かすのに要する力は明らかに異なる。すなわち、氷の上で物体を引っ張ると簡単に物体が動いてしまうのに対して、ざらざらな机の上では物体を引っ張って動かすには、それよりも大きな力が必要である。これは、机の上においた物体の方が、何らかのより大きな力が水平逆向きに働いたからに他ならない。

この様に、質量をもった物体が動いているとき、その物体の進行方向逆向きに働く力を摩擦力(Frictional Force)という。後述の静止摩擦力と区別するために動摩擦力(Dynamic Friction)とも呼ぶ。

また、静止している物体を動かそうとする際に働く摩擦力を静止摩擦力(Static Friction)という。物体の質量が大きい場合、その物体を動かすのにより大きな力を要し、ある限界値以上の力でないと物体は動かない。この物体が静止している限界でかかっている力、すなわち物体が動き出す直前にかかっている力を最大静止摩擦力(最大摩擦力)という。

流体の粘性に起因して生じる力を粘性摩擦力という。これは相対速度に比例した力として定式化されるため、逆に数理モデルにおいて速度に比例する抵抗力のことを指してこう呼ぶ場合もある。詳細は粘度の項を参照。

クーロンの摩擦法則[編集]

摩擦係数
coefficient of friction
量記号 μ
次元 無次元量
種類 スカラー
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クーロンの摩擦法則、あるいはアモントン=クーロンの摩擦法則と呼ばれるこの法則は、古くはイタリアのレオナルド・ダ・ヴィンチ、フランスのアモントンそして同じくフランスのクーロンにより繰り返し発見された。ちなみにダ・ヴィンチの発見(牽引実験によるもの)からアモントンの再発見までは約200年、アモントンからクーロンまでは約100年の歳月が流れている。

ダ・ヴィンチとアモントンは、

(1) 摩擦力が垂直荷重に比例すること

(2) 摩擦力が見かけの接触面積によらないこと

を発見した。クーロンはその再確認を行うと共に、

(3) 最大静止摩擦力が動摩擦力よりも大きいこと(従って、動かし始める力に比べて動かし続ける力は小さくて済む)

(4) 動摩擦力は速度によらず一定であること

を見出した。荷重を P比例定数を μ とすれば摩擦力 F

F=\mu P

である。

このときの比例定数μを摩擦係数と呼び、面及び物体の材質や表面状態(凹凸など)によって定まる。なお、この値は動摩擦力と静摩擦力で異なるため、動摩擦係数静摩擦係数とそれぞれ呼ぶ。しかしながら、実際に一定の荷重・速度で摩擦係数の測定を行なっても、摩擦力が数%~数10%は変動する場合もある。いわゆるスティック・スリップ現象という摩擦力が周期的に大きく変動する現象が現れることもある。この摩擦係数が小さいものを自己潤滑性(self-lubricity)があると表現したりもする[1]

摺動する面の面積に摩擦力が無関係なのは、マクロレベルの仕上げでは表面の凹凸があり、原子レベルの相互作用の生じるぐらいの距離に近づく部分(真実接触面積)が極めて限られていて、みかけの接触面積が意味をもたないからであると考えられている。

摩擦力の発生する理由[編集]

摩擦力は、2つの面の間の凝着の発生と破壊によるものと、柔らかい材質側を変形させる力によるもの両方が関係していると思われる。摩擦係数は、金属どうしで0.4ぐらいであるが、固体潤滑材(2硫化モリブデン・グラファイト)では、0.2程度まで低下する。固体潤滑材は、きわめて壊れやすい構造をもった材料であることが、摩擦力の低減に有効である。

摩擦力の発生の背景にはクーロン力というものがある。概念的には次の様なことである。

物体と面の間に摩擦力が起きるとき、明らかに物体と面は接触している。この物体を構成しているのは何万個もの原子であり、また物体と接触している部分の面も原子で構成されている。これらの物体の原子と面の原子同士がお互いにクーロン力によって引っ張り合う。これが摩擦力及び静止摩擦力を引き起こす原因である。また、物体が動き出すのは、このクーロン力が切れてしまうからである。このことから動いている物体と面の間に働く摩擦力は常に一定だということが分かる。――という見方もあるが、摩擦力がクーロン力のよい事例であるかどうかは疑問である。

定性的には、2種類の金属間のいわゆる乾燥摩擦状態での、摩擦係数を比較する実験からは、原子間距離の近い金属の組合せの摩擦係数が大きいなどの結果がある。

なお、クーロンの摩擦法則は、現在の科学技術レベルから見ると、「限られた範囲でのみ成立する経験則」と理解するのが無難である。ハードディスクドライブのメディアなど、極端に平滑な表面では上の (2) は成り立たないし、比較的狭い速度範囲でも (4) が成り立たない(従って (1) も成り立たない)のは良く経験される事実である。

引用文献[編集]

  1. ^ 第23回素形材技術賞経済産業大臣賞 ハイテン成形性に優れた次世代冷間金型用鋼の開発” (2007年12月). 2013年1月閲覧。

関連項目[編集]