1. 마찰력의 정의
마찰력은 서로 접촉하는 물체 표면 사이에서 작용하는 저항입니다. 이 단원에서는 접촉하는 두 고체 표면 사이에서 작용하는 마찰력을 다룹니다. 예를 들어, 보의 밑면과 바닥면 사이의 마찰, 신발 밑창과 바닥면 사이의 마찰, 자동차 바퀴와 도로 표면 사이의 마찰 등이 있습니다.
마찰력은 물체가 서로 접촉할 때, 아무리 매끄러운 표면이라도 항상 작용합니다. 사실 매끄러운 표면조차도 미시적인 관점에서는 매우 거칠습니다. 물체가 움직일 때, 이러한 미세한 요철들이 움직임을 방해합니다. 원자 수준에서는 표면의 돌출부가 원자들을 다른 표면과 매우 가깝게 만들어 원자들 사이의 전기력을 발생시키고, 이로 인해 화학 결합이 형성됩니다. 이는 움직이는 물체의 두 표면이 서로 결합하는 현상입니다. 예를 들어 탁자 위에서 책을 밀면 책의 움직임은 여러 장애물에 부딪히고 결국 멈추게 됩니다. 이러한 현상은 화학 결합의 형성 및 해리 때문에 발생합니다.
물체의 표면이 다른 물체의 표면과 마찰할 때, 두 물체 사이에는 마찰력이 작용합니다. 움직이는 물체에 작용하는 마찰력은 항상 물체의 운동 방향과 반대 방향입니다. 마찰력은 물체의 운동을 방해할 뿐만 아니라 마모와 손상을 유발하기도 합니다. 자동차 엔진에서 이러한 현상을 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 오토바이 엔진에 윤활유를 공급하는 이유는 엔진 내부에서 발생하는 마찰력을 줄이기 위해서입니다. 윤활유가 없으면 오토바이 엔진은 빠르게 손상됩니다. 이 예시는 마찰로 인해 발생하는 손실의 한 예입니다.
2. 종류 마찰력
마찰력에는 정지 마찰력(f)과 정지 마찰력, 이렇게 두 가지 유형이 있습니다.s) 및 운동 마찰력(f)k정지 마찰력은 물체가 정지해 있을 때 작용하고, 운동 마찰력은 물체가 움직일 때 작용합니다. 예를 들어, 테이블을 밀었는데 테이블이 움직이지 않았다면, 정지해 있는 테이블에 작용하는 마찰력은 정지 마찰력입니다. 반대로 테이블이 움직이고 있다면, 테이블에 작용하는 마찰력은 운동 마찰력입니다. 움직이는 테이블을 계속 밀지 않으면 테이블은 잠시 후 멈출 것입니다. 테이블이 멈추는 이유는 운동 마찰력이 테이블의 움직임을 방해하기 때문입니다.
미끄러운 곳을 밟았을 때 미끄러져 본 적 있으신가요? 미끄러질 때 신발 밑창이나 샌들 바닥과 매끄러운 표면 사이에서 작용하는 마찰력을 운동 마찰력이라고 합니다. 이는 오토바이나 자동차가 젖고 매끄러운 도로에서 브레이크를 밟아 바퀴가 미끄러지는 상황과 유사합니다. 바퀴가 미끄러질 때 바퀴 표면과 도로 표면 사이에서 작용하는 마찰력이 운동 마찰력입니다. 반대로, 걸을 때는 신발 밑창이나 샌들 바닥과 바닥 사이에서 작용하는 마찰력을 정지 마찰력이라고 합니다. 마찬가지로 바퀴가 미끄러지지 않을 때 바퀴 표면과 도로 표면 사이에서 작용하는 마찰력이 정지 마찰력입니다.
2.1 정지 마찰력
정지 마찰력은 물체가 아직 움직이지 않은 상태에서 서로 접촉하는 물체의 표면에 작용하는 마찰력입니다.
그림 1은 평평한 표면 위에 정지해 있는 물체를 보여줍니다. 물체가 아직 움직이지 않았다면 정지 마찰력(fs)은 당기는 힘(F)보다 작습니다. 만약 계속해서 당기면 물체는 움직일 것입니다. 물체가 움직이기 시작하는 시점은 정지 마찰력(fs)의 크기가 적절한 경우입니다.s)는 당기는 힘(F)의 크기와 같습니다.
뉴턴의 제1법칙은 전체 힘(합력)이 0이면 물체가 정지해 있다는 것을 나타냅니다.
시그마y = 0 (물체가 정지해 있고 수직 방향으로 움직이지 않음)
N – w = 0
N = w (1.2)
방정식 1.1의 N을 방정식 1.2의 N으로 대체합니다.
fs = μs w
fs = μs mg (1.3)
fs = 정지 마찰력(N), μs = 정지 마찰 계수, N = 수직 항력(N), w = 중력 가속도(N), m = 질량(kg), g = 중력 가속도(m/s²)2)
정지 마찰 계수를 구하려면 방정식 1.1b를 사용하십시오.
Σfx = 0 (물체가 정지해 있고 수평 방향으로 움직이지 않음)
F – fs = 0
F = fs (1.4)
물체가 움직이기 시작할 때, 최대 정지 마찰력은 미는 힘이나 당기는 힘의 크기와 같습니다.
2.2 운동 마찰력
운동 마찰력은 물체가 움직일 때 서로 접촉하는 물체의 표면에 작용하는 마찰력입니다.
운동 마찰 계수(μ)를 구하려면k), 방정식 1.5 b를 사용합니다.
그림 2는 물체가 일정한 속도로 움직이도록 규칙적으로 당겨지는 상황을 보여줍니다. 일정한 속도로 움직일 때, 운동 마찰력(fk)의 크기는 당기는 힘(F)의 크기와 같습니다.
뉴턴의 제1법칙은 전체 힘(알짜힘)이 0이면 물체가 일정한 속도로 움직인다고 말합니다.
시그마x = 0 (물체가 수평 방향으로 일정한 속도로 움직인다)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
예제 문제 1:
한 학생이 테이블 표면에 놓인 질량 1kg의 막대를 동력계(힘 측정 장치)를 사용하여 당깁니다. 막대가 움직일 때 동력계는 2N을 나타냅니다. 중력 가속도가 10m/s²일 때,2(a) 정지 마찰력의 크기 (b) 정지 마찰 계수를 구하시오
해결 방법 :
알려진: m = 1kg, F = 2N, g = 10m/s2, w = mg = 10 N
(가) 에프s
빔이 움직일 때, 정지 마찰력의 크기는 당기는 힘의 크기와 같습니다(방정식 1.4 참조). 따라서, fs = F = 2 N.
(b) μs
fs = μs w
2 N = (μs)(10 N)
μs = 2N / 10N = 0.2
예제 문제 2:
테이블 표면 위에 질량이 1kg인 막대가 일정한 속도로 움직이도록 일정한 힘으로 당겨진다. 막대가 일정한 속도로 움직일 때 동력계는 1N을 나타낸다. 중력 가속도가 10m/s²일 때,2(a) 운동 마찰력의 크기 (b) 운동 마찰 계수를 구하시오.
해결 방법 :
모두 다 아는: m = 1 kg, g = 10 m/s2F = 1 N, w = mg = 10 N
(가) 에프k
빔이 규칙적으로 움직이거나 일정한 속도로 움직일 때, 운동 마찰력의 크기는 당기는 힘의 크기와 같습니다(방정식 1.6 참조).
그래서k = F = 1 N
(b) μk
fk = μk w
1 N = (μk)(10 N)
μk = 1N / 10N = 0.1
