【2022 물리학 | 고전역학】 힘의 종류: 마찰력 | 이론

마찰력

마찰력(force of friction): 물체가 어떤 표면 위를 운동하거나 점성이 있는 매질 속에서 운동할 때, 물체는 주위와의 상호작용 때문에 운동하는 데 ‘저항’을 받는데 이때 물체가 받는 힘.

- ‘거시적’으로 마찰력은 두 표면의 특성에 기인한다. cf. 원자수준으로 마찰력의 관찰범위를 좁히면 매우 복잡하긴 하지만 본질적으로 전기적 상호작용과 같다.

그림 1. 미시적 수준에서 마찰의 발생

 

마찰력의 종류

마찰력의 종류는 마찰이 있는 면에서 물체가 어떤 운동을 하느냐에 따라 크게 2가지로 분류한다.

1. 정지마찰력

2. 운동마찰력

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정지마찰력(force of static friction): 외력에 맞서 물체를 움직이지 못하게 반대로 끌리는 힘으로 벡터 f_s로 표기한다. 정지마찰력의 크기 f_s는 외력 F_ext과 그 크기가 같다.

- 물체가 정지해있는 한, 정지마찰력의 크기는 외력의 크기에 의존한다.

- 최대정지마찰력: 벡터 f_s, max, 정지마찰력이 가질 수 있는 최대 크기로 최대정지마찰력을 넘은 힘이 가해지면 물체는 힘에 의한 가속운동을 시작한다.

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운동마찰력(force of kinetic friction): 운동하고 있는 물체에 대한 마찰력으로 벡터 f_k()로 표기한다.

- 물체가 운동하고 있을 때, 접촉면을 따라 운동을 방해한다.

- 물리량

① 운동마찰계수(coefficient of kinetic friction): 물체의 속력에 따라 값이 변한다. ⇒ 단, 문제에서는 대개 상수로 주어진다.

② 최대정지마찰력과의 관계

그림 2. 마찰력의 종류와 마찰력의 크기

 

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그림 3. 마찰력의 양상 [출처: Wikimedia]

 

그림 4. 마찰계수 표 [출처: Wikipedia]

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마찰계수의 특성

① 정지마찰계수와 운동마찰계수는 표면성질에 의존하며 일반적으로 정지마찰계수가 운동마찰계수보다 크다.

② 마찰계수는 차원이 없다. ⇒ 무차원 수

③ 정지마찰계수는 상수이다. 그러나 운동마찰계수는 물체의 속력에 따라 값이 변한다.

④ 마찰계수는 접촉면의 넓이와 무관하다. ⇒ 마찰하는 접촉점의 개수는 증가하나, 물체의 무게가 더 넓은 지역에 걸쳐 분산되기 때문에 각 점에 가해지는 마찰력은 감소하게 된다.