마찰력 1부 – 정리해보기

[과학에세이]

1. 마찰력이란 무엇인가

마찰이 무엇이라고 생각하십니까? 마찰을 정의하기는 상당히 힘듭니다. 마찰이 나타나는 곳도 상당히 다양하고, 그 쓰임새도 상당히 다양하기 때문입니다. 쉽게 예를 들어서 정계에서도 많이 쓰입니다. “xxx법안이 이번 회계에서 표결을 통과하기에는 많은 진통과 마찰이 예상됩니다.”는 식의 사용법 말이죠…

그렇다면 마찰은 무엇일까요??? 위의 정계 예를 살펴보면 조금이나마 쉬울 듯 싶습니다. 간단하게 생각한다면 어떠한 변화를 막으려는 현상을 마찰이라고 할 수 있을까요??? 그러나 이것은 정확하지 못합니다. 예를 들어 물체가 움직일 때, 이것을 계속 움직이게 하는 것은 관성이지 마찰이 아니지 않습니까? 마찰은 반대로 물체를 변화시킵니다. 마찰이 무엇이냐고 물으면 일반적으로 저런 답변을 받을 것이라 생각합니다. 저 또한 그렇게 답변할 가능성이 높죠. 그러나 그것은 바람직하지 않은 정의입니다. 그렇다면 어떻게 정의해야 할까요???

마찰력은 “둘 이상의 다른 상태가 있어서, 이들이 서로 비슷하게 변하는 경향“(열역학 법칙으로 설명이 가능할 것 같습니다.)이라고 생각하면 좀 더 나을 것입니다. 즉 움직이는 물체가 주변에 접하고 있는 공기나 바닥 상태(이 예에서의 상태는 속도)와 비슷하게 변화게 만드는 것을 마찰력이라 생각하면 쉬울 듯합니다. 여기서 마찰(력)은 물리학에서 사용될 때조차 물리적 개념에서 출발하지 않기 때문에 물리학적 정의를 사용할 필요가 없었습니다.

2. 마찰력 종류

윗 단원에서 범용적인 의미에서의 마찰력을 정의해 보았습니다. 마찰력은 둘 이상 상태와 그 상태의 상호 교류만을 생각하면 됩니다. 지금부터 같은 종류로서의 두 가지 상태가 있어서, 이 두 가지가 교류하는 예를 생각해 봅시다.
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생각해 보셨나요????
직접 예를 생각해 보세요.
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가장 흔히 생각할 수 있는 것이 속도(속력)에 관련된 것이겠죠…
유체에 의한 저항에서는 좀 더 깊이있는 운동량 보존이라는 역학계를 생각할 수 있습니다.
위에서 말한 국회의 저항도 일종의 마찰이라고 생각할 수 있을 것입니다.

한 가지 더 추가하고 싶은 것이 있는데, 마찰력이 작용하면 그 상태를 나타냈던 총 양이 보존되지 않는다는 것입니다. 우리는 이런 상태를 비선형이라고 합니다. (반대로 보존되는 것을 선형이라고 부릅니다.)

3. 정지마찰력과 운동마찰력

중학교 물리 시간에 마찰력의 예로 우리가 학교에서 가장 먼저 배우는 개념은 다른 것이 아닌 바로 정지마찰력입니다. 정지마찰력은 어떤 물건에 힘이 작용할 때에 그 물건에 작용한 힘과 크기가 같고, 방향은 반대로 작용하는 힘입니다. 즉, 정지 마찰력은 받은 힘과 크기가 같으므로, 힘을 상쇄만 할 뿐 상태를 변화시키지는 않습니다. 상태변화를 막는 힘이겠네요.

이에 반해 운동마찰력은 상대운동하고 여러 물체가 서로 운동상태를 비슷하게 하려는 힘을 말합니다. 바닥 위에 놓은 물체에 대한 운동마찰력은 바닥과 속도를 갖게 만들려는 마찰력입니다. 운동 마찰력의 크기는 그 물체의 속도와 상관이 없습니다. 단지 그 물체가 바닥을 누르는 힘의 크기(수직항력)에 영향을 받을 뿐입니다.

여기까지가 고등학교에서 배우는 마찰력입니다. 이를 그래프로 나타내면 아래와 같이 아주 간단한 형태가 됩니다. 물론 현실적인 것은 아니구요..^^

그렇다면 좀 더 정확히 이해하려면 어떤 방식을 취해야 할까요???
그것은 마찰력이 수직항력 뿐 아니라 상대속도(이동속도)에도 영향을 받는다는 것을 고려하면 쉽게 수정됩니다. 정확한 계산은 물리학과 2학년 과정인 고전물리학에서 다루는 것이니까 정확히 말씀드리기는 힘들지만….
대략 그래프로 설명을 드리겠습니다.

이 그래프에서 운동 마찰계수라고 표기되어 있는 선은 실제 마찰계수 그래프가 접근하는 점근선입니다. 또 최대정지 마찰계수와 가장 큰 마찰계수는 같을 수도 있지만 틀릴 수도 있습니다. 또한 이 그래프의 모양에 대한 정확한 그래프 모양도 물리계에 따라 달라질 수 있습니다. 마찰이 나타나는 두 물체간의 차이나 주변의 환경이 영향을 미칩니다.

4. 유체에서의 마찰력

우리가 알고 있는 물질 상은 물론 굉장히 많이 있지만, 온도가 높아지는 순서로 크게 배열하면 고체, 액체, 기체, 플라즈마로 나눌 수 있습니다. 이중에서 유체란 고체를 제외한 물질상을 말하며, 우주에 있는 물질들의 대부분은 이 유체일 가능성이 높습니다. 고체로 이루어진 물질은 행성이나 소행성 정도밖에 없습니다. 우주 전체 물질의 0.1%… 아니 0.00001%도 채 되지 않는 양입니다.
(하지만 우리는 주변에는 고체가 많이 모여 있기 때문에 유체가 그렇게 많은지 모르고 생활하고 있죠.)

유체 안을 유체나 고체가 지나갈 때에는 압력차이와 점성력이 영향이 미치게 됩니다.
점성력은 끈적이는 성질을 말하고, 압력차이는 움직이는 유체나 고체가 이동할 때 앞뒤에서 생기는 압력차를 말합니다. 점성 때문에 생기는 마찰력을 점성저항이라 하고, 압력차이 때문에 생기는 마찰력을 압력저항이라고 합니다. 속도가 느릴 때에는 점성저항이 크고, 속도가 클수록 압력저항이 커지는데, 이는 점성저항은 속도에 비례하고, 압력저항은 속도의 제곱에 비례하여 나타나기 때문입니다.

물론 유체의 저항도 물체의 모양이나 표면의 상태에 영향을 받습니다. 이것은 상수나 텐서로 나타나게 됩니다.(텐서는 어렵습니다.)

5. 마하의 법칙

마하의 법칙은 물체가 유체 내에서 음속으로 움직일 때 갑자기 큰 저항을 받는 현상입니다. 군사용 비행장 부근에 사신다면 전투기가 음속을 돌파할 때 들려오는 엄청난 충격파의 소리를 경험하셨을 겁니다. 전투기가 낮은 고도에서 음속을 돌파하면 소리가 굉장히 크죠….^^ 음속으로 이동하는 물체의 표면에서 충격파가 흩어지지 못하고 계속 중첩되어 매우 강해지는 것입니다.

이렇게 되면 비행기 엔진이 하는 일이 비행기 속도를 높이는데 사용되지 못하고, 충격파를 발생시키는데 사용됩니다. (또 다른 마하의 법칙이 있어 주의를 요합니다.)
더 나아가서 음속 이상의 속력으로 움직이는 물체는 주변에 원뿔 모양으로 충격면을 만듭니다.

처음 쓴 날 : 2008/03/03