研究成果「摩擦力とその有益な特性」 摩擦 摩擦力の種類 摩擦力は何に依存しますか? 機構や機械の摩擦 興味深い事実
突然重い物体を移動させようとすると、何かが邪魔をしていることが明らかになります。 摩擦力が動きを妨げてしまいます。 私たちはあらゆる段階で摩擦に遭遇します。 言葉の文字通りの意味で。 より正確に言えば、摩擦力によって足が地面に留まるため、摩擦なしでは一歩を踏み出すことができません。
摩擦はさまざまな理由で発生しますが、主な理由は 2 つあります。 まず、物体の表面はでこぼこしており、一方の表面のギザギザのエッジが別の表面の粗さにくっついています。 これはいわゆる幾何学的摩擦です。 第二に、摩擦体は互いに非常に密接に接触しており、その動きは分子間の相互作用（分子摩擦）の影響を受けます。
摩擦には静止摩擦、滑り摩擦、転がり摩擦の3種類があります。
静摩擦力 - 接触する 2 つの物体の間に発生し、相対運動の発生を妨げる力。 接触する 2 つの物体を相対的に動かすには、この力に打ち勝つ必要があります。
滑り摩擦力 - 相対運動中に接触している物体の間に生じる力。
転がり摩擦力 - ある物体が別の物体の表面を転がるときに発生する抵抗を指します。
明らかに、どんな現象にも長所と短所があります。 そして、たとえば部品が摩耗するからといって摩擦は必要ないと言うのは愚かです。 しかし、どうやって行くでしょうか？
難しいことはあらかじめ承知しておりますが、以下に主なメリットとデメリットを書いてみます。
- 摩擦がなければ、物は私たちの手から滑り落ちてしまい、地面を歩くことはできず、（あえて言えばカタツムリのように）滑るだけになってしまいます。
- 摩擦は動く物体を止めることができる主な力であり、場合によっては唯一の力です。
- 摩擦により糸がまっすぐになるのを防ぎ、生地が個々の糸にバラバラになるのを防ぎます。
- 原始的な方法で火を起こす。
- 摩擦は、システムに与えられるエネルギーの一部 (振動など) を、このエネルギーがすべて使い果たされるまで熱に変換する要素です。 たとえば、ブランコが揺れるとき、何もしなければ遅かれ早かれ止まります。
- 静摩擦は、重い物体をその場所から移動させる際の主な障害となります。
- 摩擦は、部品や機構のアセンブリの性能の低下、表面の品質の低下を引き起こし、その結果、効率の急激な低下を引き起こし、場合によっては、部品やアセンブリ、あるいは機構全体の故障につながることもあります。
この分断は純粋に日常的なものだと私は認識しています。 どんなプラスもマイナスに、マイナスもプラスに変えることができます。 摩擦なしには絶対にやっていけないと断言できます。 それが私たちの妨げになっていると言えますが、それがどれほど助けになったかを忘れないでください。 私たちはそれについて考えていないだけです。 そしておそらく、これは哲学的な質問ではありますが、それだけの価値があるでしょう。
リストが不完全であると思われ、追加したい場合は、コメントに提案を提供してください。
1500 年に、天才レオナルド ダ ヴィンチが、摩擦力が何に依存するのか、そしてそれが何を表すのかに非常に興味を持っていたことをご存知ですか? 彼が行った奇妙な実験は生徒たちにかなりの驚きを与えたが、有能な科学者が全長にほどかれたロープ、またはしっかりと巻かれたロープを床の上で引きずっているのを見た人々は、他に何を期待できるだろうか。 これらおよび他の同様の実験により、彼は少し後 (1519 年)、次の結論を得ることができました。ある物体が別の物体の表面に接触したときに現れる摩擦力は、荷重 (圧力) に直接依存し、相互作用領域には依存しません。移動側とは逆方向に向けられています。
数式を開く
180 年が経過し、レオナルドのモデルは G. アモントンによって再発見され、1781 年に S. O. クーロンが作品の中で最終的な定式化を行いました。 この 2 人の科学者の利点は、摩擦係数などの物理定数を導入し、相互作用する特定の材料ペアに対する摩擦力が何に等しいかを計算するために使用できる公式を導き出すことが可能になったことです。 今まではこの表現です
F t = k t x P、ここで
P は押す力 (荷重)、k t は摩擦係数です。この係数は年ごとにさまざまな物理学の教科書やマニュアルに記載されており、係数自体は長い間計算されており、標準的な工学参考書に記載されています。 ようやくこの現象が完全に解明されたかに思えたが、そうではなかった。 
新しいニュアンス
19 世紀に、科学者たちは、アモントンとクーロンによって提案された公式は普遍的で絶対的に正しいわけではなく、摩擦力は係数や加えられる荷重だけによって決まるわけではない、と確信するようになりました。 さらに、表面処理の品質という 3 番目の要素があります。 滑らかかザラザラかによって摩擦力の値は異なります。 原理的には、これは非常に論理的です。つまり、スライドするオブジェクトを移動することは、凹凸のある表面を持つオブジェクトを移動することに比べてはるかに簡単です。 そして19世紀末になると、粘性の研究に新たな成果が現れ、液体中で摩擦力がどのように働くのかが明らかになりました。 そして、摩擦面の潤滑は技術の初期から使用されていましたが、O. レイノルズのおかげで、潤滑に特化した一貫した理論が登場したのは 1886 年のことでした。 
したがって、摩擦力が十分にあり、2 つの物体間に直接接触がない場合、摩擦力は流体力学のみに依存します。 そして、潤滑剤が不足すると、クーロン力、粘性抵抗力、潤滑剤が離れるのを妨げる力という 3 つのメカニズムがすべて作動します。 この理論はこの現象の研究に終止符を打ったと思いますか? そうです、いいえ。 20世紀に入ると、潤滑剤のない低速走行時にはストライプ効果が発生することが判明しました。 その本質は、潤滑がない場合、抵抗力は始動力からクーロン力のレベルまですぐには減少せず、速度が増加するにつれて徐々に低下することです。 20 世紀に入り、この分野のさらなる研究により非常に多くの新しい情報がもたらされたため、何らかの方法で体系化する必要がありました。 その結果、自然界で摩擦力がどのように作用するかを研究するトライボロジーという科学全体が誕生しました。 米国だけでも、この分野に取り組む科学者の数は 1,000 人を超え、このテーマに関して毎年 700 以上の論文が世界中で出版されています。 科学者たちは他にどんな興味深いことを発見できるだろうか？ 成り行きを見守る！
それは進んでいません - それはただ進んでいます、
寒いから
でもすごい落ちますよ！
なぜ誰も幸せにならないのでしょうか？
一見すると素朴な童謡ですが、物理的な観点から見ると、どれほど多くの内容が含まれているのでしょうか。 結局のところ、悪名高い摩擦力に対する矛盾した態度の体系がまさにそこに含まれているのです。 摩擦による害と利益という 2 つの概念が互いに競い合うこの絶え間ない戦いに勝者はいません。 結局のところ、ある人にとって便利で有益なことは、この詩のように、別の人にとってはまったく逆であり、悪いことであることがよくあります。
みんなが庭に作った氷の滑り台についてのニコライ・ノソフの話を覚えていますか? そして、みんなが昼食に出かけたとき、工事に参加しなかった人が出てきました。 彼はそれに登ろうとしましたが、怪我をしただけで登ることができませんでした。 そして、子供は氷の上に砂を振りかけると推測しました。氷の上でも頂上に登るのが非常に便利になりました。 そこで、滑りやすい氷と靴底の間の空間を砂で補強することで、摩擦の恩恵で障害物を乗り越えられることに少年は気づきました。
しかし、昼食後、子供たちは氷を持って出てきて、滑り台で楽しみました。 しかしそうではありません。そりは砂の上では走れません。 彼らにとって、この状況は逆転し、摩擦の害を示しました。
冬にも同様のケースが見られます。少年たちは氷の道を広げ、それに沿って走り、数分で距離を走りきります。 そしてその後ろでは、雪の積もった斜面で足を引きずり、滑って転倒し、腕や足を骨折する高齢者がいる。 ここでも、同じ場合に摩擦力の害と利益の両方が共存する明確な例を示します。
スキーヤーが特別な軟膏でスキー板を潤滑し、移動時の速度を上げるのは摩擦を軽減するためです。 スピード スケート選手やフィギュア スケート選手が使用するリンクは、摩擦を減らすために定期的に水をかけられ、掃除されます。 逆に、歩道には人が落ちないように砂や灰が撒かれています。 発明家や革新者の中には、摩擦力を高めるために冬用ブーツやブーツの底にサンドペーパーを貼り付けるというアイデアを思いついた人もいます。
車の車輪でも同じことが起こります。 冬が始まると、ドライバーが鉄馬に特別な「冬用タイヤ」を「履く」のは周知の事実です。 そうしないと、有用な摩擦力がないと、車は旋回時に横滑りし、横滑りし、多くの場合、ドライバーのコントロールが困難になります。 そして、事故がどのように終わるかを誰もが自分で知っています。
私たちは皆、冬のこと、氷のこと、落下のことについて話しています。 日常生活の中で、摩擦による害と利益がどのように競合するかをはっきりと確認できる瞬間は他にありますか? もちろん持っています！ それらはどこにでもあります。 あなたと私たちの部屋でも。
たとえば、ここには巨大で重いワードローブがあります。 彼はその場に根を張って立ったまま動かない。 そして、摩擦力が突然なくなったら、何が起こるでしょうか? そして、この巨大なものは、少し押すだけで部屋中を動き回ります。 そして、それを時間内に回避できたかどうかはまだ分からない。 摩擦力が良くて便利！
しかし、母は家具の配置を変えることにしました。 そして、この悪名高いクローゼットを別の壁に移動する必要があります。 1、2、受け取ってください！ 三、四、しっかりして！ すべてが無駄であることが判明します。物体が重ければ重いほど、摩擦力が強くなります。 恐ろしい、厄介な力！
再び彼らは互いに競争します - 摩擦の害と利益。 競争する必要はありません！ 必要なのは、物理法則をよく理解し、その知識から実際的な利益を引き出すことができることだけです。 現時点では必要ありません。これは、接触面をより滑らかで滑りやすくする必要があることを意味します。 そのために、床に石鹸や油を塗ることをアドバイスする人もいれば、重い物の脚の下に濡れた布を置く人もいます。 そして今、1つか2つで完了です。 彼らはこの巨像をその場所からいとも簡単に移動させました。
摩擦力は、どこかで私たちに不便をもたらしたり、どこかで摩擦なしではやっていけないのと同じように、人生を通して常に私たちに付きまといます。 しかし、いずれにせよ、それは存在しており、私たちの使命は、私たちの生活がより便利で快適になるように物理法則の使い方を学ぶことです。
私たちの周りの世界には、雷や稲妻、雨やひょう、電流、摩擦など、多くの物理現象があります。今日のレポートは摩擦に特化しています。 摩擦はなぜ起こるのか、摩擦は何に影響するのか、摩擦力は何に依存するのか? そして最後に、摩擦は敵か味方でしょうか?
摩擦力とは何ですか？
少し助走して、凍った道に沿ってダッシュできます。 ただし、普通のアスファルトの上で試してみてください。 ただし、試してみる価値はありません。 何もうまくいきません。 失敗の原因は非常に大きな摩擦力です。 同じ理由で、巨大なテーブルやピアノなどを移動するのは困難です。
二つの物体の接触点では必ず相互作用が起こり、これにより、ある物体が別の物体の表面上で移動するのが妨げられます。 それを摩擦と言います。 そして、この相互作用の大きさが摩擦力です。
摩擦力の種類
重いキャビネットを移動する必要があると想像してください。 あなたの強さは明らかに十分ではありません。 「せん断力」を大きくしてみましょう。 同時に摩擦力も大きくなります 平和。そしてそれはキャビネットの動きとは逆の方向に向けられています。 最後に、「剪断」力が「勝利」し、キャビネットが移動します。 ここで摩擦力が本領を発揮します スリップ。ただし、静摩擦力よりも小さいため、キャビネットをさらに動かす方がはるかに簡単です。
もちろん、突然エンジンが止まった重い車を 2 ～ 3 人で転がす様子を見たことがあるでしょう。 車を押している人は実力者ではなく、車の車輪に摩擦力が働いているだけです 圧延。このタイプの摩擦は、ある物体が別の物体の表面上を転がるときに発生します。 ボール、丸い鉛筆、または切子のある鉛筆、電車の車輪などが転がる可能性があります。このタイプの摩擦は、滑り摩擦力よりもはるかに小さくなります。 そのため、車輪が付いていれば重い家具の移動も非常に簡単です。
しかし、この場合、摩擦力は物体の動きに逆らうことになるため、物体の速度は低下します。 自転車やローラースケートで加速するという「有害な性質」がなければ、いつまでもその乗り物を楽しむことができます。 同じ理由で、エンジンを切った車はしばらく慣性で動き、その後停止します。
したがって、摩擦力には 3 種類あることを覚えておいてください。
- 滑り摩擦。
- 転がり摩擦。
- 静止摩擦。
速度が変化する速度を加速度といいます。 ただし、摩擦力によって動きは遅くなりますので、この加速度にはマイナスの符号が付きます。 こう言うのが正しいだろう 摩擦の影響により、物体は減速して動きます。
摩擦の性質とは何ですか
磨かれたテーブルや氷の滑らかな表面を虫眼鏡で観察すると、表面に沿って滑ったり転がったりする物体が張り付く小さな凹凸が見えます。 結局のところ、これらの表面に沿って移動する物体にも同様の突起があります。
接触点では、分子は非常に接近し、互いに引きつけ始めます。 しかし、物体は動き続け、原子は互いに遠ざかり、原子間の結合は壊れます。 これにより、引力から解放された原子が振動します。 張力から解放されたバネが振動する様子とほぼ同じです。 私たちはこの分子の振動を加熱として認識します。 それが理由です 摩擦には常に接触面の温度上昇が伴います。
これは、この現象が発生する原因が 2 つあることを意味します。
- 接触する物体の表面の凹凸。
- 分子間引力。
摩擦力は何に依存するのでしょうか?
おそらく、ソリが砂地に滑り落ちたときに急ブレーキがかかることに気づいたことがあるでしょう。 そして、もう 1 つ興味深い観察があります。そりに人が 1 人乗っている場合、彼らは丘を一方方向に下ります。 友達 2 人が一緒に滑ると、そりはより早く止まります。 したがって、摩擦力は次のようになります。
- 接触面の材質によって異なります。
- さらに、体重が増加すると摩擦も増加します。
- 動きとは逆の方向に作用します。
物理学の素晴らしい科学は、多くの依存関係が言葉だけでなく特別な記号 (公式) の形でも表現できるため、優れています。 摩擦力については次のようになります。
Ftr = kN どこ：
フォート - 摩擦力。
k - 摩擦係数。材料に対する摩擦力の依存性とその加工の清浄度を反映します。 たとえば、金属が金属の上を転がる場合 k=0.18、氷の上でスケートをする場合 k=0.02 (摩擦係数は常に 1 未満)。
N サポートに作用する力です。 物体が水平面上にある場合、この力は物体の重量に等しくなります。 傾斜面の場合、重量は軽くなり、傾斜角度に依存します。 滑りが急であればあるほど、滑り降りやすくなり、長く乗ることができます。
そして、この式を使用してキャビネットの静摩擦力を計算することにより、キャビネットをその場所から移動させるためにどのような力を加える必要があるかを知ることができます。
摩擦力の仕事
力が物体に作用し、その影響を受けて物体が動く場合、常に仕事が行われます。 摩擦力の働きには独自の特徴があります。結局のところ、摩擦は動きを引き起こすのではなく、動きを妨げます。 したがって、それが行う仕事は、 常に負になります。つまり、 マイナス記号を付けると、体がどの方向に動いても。
摩擦は敵か味方か
摩擦力はどこにでも私たちに付きまとっており、目に見える害と...多大な利益をもたらします。 摩擦がなくなったと想像してみましょう。 驚いた観察者は、山が崩壊し、木々が自然に地面から根こそぎにされ、ハリケーンの風と海の波が際限なく地球を支配する様子を見るでしょう。 すべての死体がどこかに滑り落ち、輸送機関はばらばらの部分にバラバラになり、ボルトは摩擦がなければその役割を果たさないため、目に見えない怪物がすべての紐や結び目をほどいてしまい、家具は摩擦力で保持されていなかったでしょう。部屋の一番下の隅に滑り込んだ。
逃げよう、この混乱から逃げよう、でも摩擦は起こらないようにしよう 私たちは一歩も踏み出すことができなくなります。結局のところ、私たちが歩くときに地面を押し出すのに役立つのは摩擦です。 冬に滑りやすい道路が砂で覆われている理由が明らかになりました...
そして同時に、摩擦が重大な害を引き起こすこともあります。 人々は摩擦を減らしたり増やしたりすることを学び、そこから多大な利益を得てきました。 たとえば、車輪は重い荷物を引きずるために発明され、滑り摩擦を転がりに置き換え、滑り摩擦よりも大幅に小さくなりました。
回転する物体は、物体が滑るときのように、多くの小さな表面の凹凸を捉える必要がないからです。 そしてホイールには深いパターン（トレッド）を持つタイヤが装着されました。
タイヤがすべてゴム製で黒いことに気づきましたか?
ゴムは道路上で車輪をうまく保持し、ゴムに石炭を加えると黒色になり、必要な剛性と強度が得られることがわかりました。 さらに、路上での事故の場合には、制動距離を測定することができます。 結局のところ、ブレーキをかけるとタイヤにくっきりとした黒い跡が残ります。
必要に応じて、摩擦を軽減し、潤滑油と乾式グラファイト潤滑剤を使用してください。 注目に値する発明は、さまざまなタイプのボール ベアリングの作成でした。 自転車から最新の航空機まで幅広い機構に使用されています。
液体中に摩擦はありますか?
物体が水中で静止している場合、水との摩擦は発生しません。 しかし、動き始めるとすぐに摩擦が生じます。 水はその中の物体の動きに抵抗します。
これは、海岸が摩擦を起こして水の流れを「遅くする」ことを意味します。 また、岸辺の水の摩擦により速度が低下するため、川の真ん中に泳ぐべきではありません。川の流れがはるかに強いためです。 魚や海洋動物は、水面での体の摩擦が最小限になるように形作られています。
設計者は潜水艦にも同じ合理化を施します。
他の自然現象との出会いは今後も続くでしょう。 また会いましょう、友達！
このメッセージがお役に立てましたら、お会いできて嬉しいです
科学
ヨーロッパの科学者は、固体間の滑り摩擦の起源について現代的な説明を提供しました。 摩擦は現代の応用物理学の基本的な現象の 1 つであるにもかかわらず、 この現象は何世紀にもわたって研究が続けられています。。 今日まで、機械的耐摩耗性と液体潤滑の有無が摩擦に影響を与える主な要因であると考えられていましたが、滑り摩擦の根本的な原因は不明のままでした。
フィンランドの技術研究センターの上級研究員であるレイシー・マッコネン博士は、固体物体間の滑り摩擦の起源について独自の説明を発表しました。 彼の理論はその事実を完全に裏付けています摩擦の大きさは、問題の材料のいわゆる表面エネルギーにも依存するということです。 さらに、摩擦は私たちが毎回遭遇する多くの現象（エネルギーの吸収など）に大きな影響を与えます。
マッコネンの新しい熱力学モデルは、材料の表面エネルギーを考慮して材料の摩擦係数を定量化するこの種のモデルとしては初めてです。 実際、このモデルは次のことを示しています。 材料がナノスケールレベルで接触すると摩擦が発生します、原子レベルでの新しい結合の形成から生じます。 この理論は、摩擦力の起源と乾式摩擦中の摩擦加熱の存在の説明を補完します。 また、異なる材料の組み合わせの摩擦係数をより正確に計算するために使用することもできます。
構築されたモデルでは、材料の特定の表面を選択したり、潤滑層を使用したりすることにより、摩擦プロセスをより正確に制御することも可能になります。 それらの間の表面エネルギーの存在を考慮して。 この理論は、さまざまな材料（特に均質材料）の摩擦係数を示すよく知られた表には顕著な不正確さがあるという多くの物理学者の意見を裏付けるものであることは注目に値します。
