DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

歩けるのは摩擦があるおかげ? 実は非常に重要な摩擦

 今回は摩擦力について書きたいと思う。

目次

1. 摩擦とは?

 摩擦とはある物体とある物体の間に発生する抵抗力のことであり、摩擦力は必ず進行方向と逆向きに発生する。例えば、中身が入った段ボールを押すときに力を加えてもなかなか動かないがある力に達すると動くようになる。この時、段ボールが動く前は静止摩擦力という摩擦力が働いており、ある一定の力に達するまで押している力と同じ反発力、要するに摩擦力が働くがその一定の力に達するとやがて動くようになる。

 そして、動いた後は摩擦力が働いていないように見えるが実は動摩擦力という摩擦力が働いており、この動摩擦力の大きさは静止摩擦力よりも必ず小さくなる。

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 このようにある地点を超えた時に静止摩擦力が動摩擦力に変化し、これ以上はどんなに力を加えても摩擦力の大きさが変化することはない。つまり、力を加えれば加えるほど合力は大きくなるということである。

 また、ここでは平面での摩擦力を考えたが坂道でも当然摩擦力は発生し、緩やかな坂道に物を置いてもすべらない理由も摩擦力が働いているからであり、この時静止摩擦力が物体にはかかっている。

 実は摩擦力は重力(mg)に比例しており、静止摩擦力が働いている時は静止摩擦係数という係数に重力をかけた力が進行方向と反対側に働いているが実際には少し違い、静止摩擦係数という物は物が動く直前の値であり、もし常時静止摩擦係数×重力が働いていると物を押したら自分のほうに向かってくるようになる。そのため、静止摩擦係数に達する前は押した力と同じ力が反対方向にかかるようになり、押す力と摩擦力が釣り合うようになる。

 そして、物が動いたときには動摩擦係数という係数と重力をかけた力が反対方向にかかるがこの値はどんな力の時でも一定であり、増えることも減ることも無い。

 また、坂道では進行方向に重力の一部がかかっているものの、坂道が緩いと静止摩擦係数が勝るために動くことは無い。

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 進行方向の力はsinθに比例、要するに急であればあるほど大きくなり、摩擦力は地面との垂直抗力に比例するので進行方向とは逆に急であればあるほど小さくなる。これが緩い坂ほど物が動きにくくなる原因であり、急な坂ほど止まりにくくなる原因は進行方向の力が大きくなるうえにそれを止める摩擦力が小さくなるからである。

 このように摩擦力は物が動くのを押さえる力であり、摩擦力が無いと少し押しただけでも何かにぶつかるまで延々と動き続けてしまい、例え100トンもある物体も摩擦力が無いと少し押しただけでも動き、何かにぶつかるまですべり続けるのです。

2. 摩擦が無いと歩けない!?

 ここまでは摩擦について書きましたが今度は摩擦が無いと極端な話、生きていくことができなくなる話をしたいと思う。

 スケート場は凍っており、氷の上は良く滑るがその原因は摩擦力が小さいからである。

 そして、摩擦力は歩くのに必須であり、歩くときは進行方向と逆向きに力を加えますがその時、当然ではあるものの摩擦力は進行方向に働くため、必然的に歩くことができるようになる。

 では、摩擦力が無くなってしまうとどうなるのだろうか?

 答えは簡単で進行方向と逆向きに滑り続け、摩擦が無いため進行方向と逆向きの速度がかかり、当然立っていられずに転び、何かにぶつかるまで転んだ体制で後ろ方向に滑り続けてしまう。

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 このように摩擦が無い状態というのは赤矢印が無い状態であり、もしもそうなら緑矢印しかない状況となるため後ろに滑ってしまい、歩くことができなくなる。

 更に自転車で走る時も同じで自転車を動かすときも摩擦で動いているので、摩擦が無いと当然動かずに転び、例え動かせても坂道に差し掛かった時にブレーキが利かなくなり(ブレーキは摩擦係数を増やす役割を持つため)、止めることができなくなり...という状況になる。

 ちなみに摩擦力が小さいところ(地面が凍り付いたところ)では足を下すときに直角に下ろせば転ぶことは無くなるがこの理由は逆方向に力を加えない状況であるため、後ろに力がかからないからである。

 そのため、道が凍り付いている時は走らず、真上から足を下すように心がけることを意識したほうが良いと思う。

 以上のことより、一見すると邪魔なようにも見える摩擦力も実際には生物や乗り物には必須なものであり、空気と同じように影で活躍しているとも言える。