정역학)마찰

마찰에 대해서 알아보자.

1. 건마찰의 특성

2. 건마찰과 관련된 문제들

3. 쐐기

4. 나사에서의 마찰력

5. 평벨트의 마찰력

6. 칼라 베어링, 피봇 베어링, 디스크에서의 마찰력

7. 저널 베어링에서의 마찰력

8. 구름 저항

 

1. 건마찰의 특성

한 물체가, 접촉하고 있는 다른 물체나 표면에 대하여 미끄러짐을 막거나 늦추는 저항력을 마찰이라 정의할 수 있다. 이 힘은 다른 물체와의 접촉점들에서 표면에 대하여 항상 접선 방향으로 작용하며 이 접촉점들에 대하여 물체가 움직이거나 움직이려 하는 방향의 반대 방향으로 향한다. 일반적으로 면과 면 사이에는 두 가지 유형의 마찰이 발생한다. 유체 마찰은 접촉면들이 유막으로 분리되었을 때 생긴다. 유체 마찰의 성질은 유체의 속도 및 전단력에 대한 저항 능력을 알아야 파악할 수 있기 때문에 유체역학에서 다뤄진다. 건마찰의 효과는 종종 쿨롱마찰이라고 불리는데, 이는 1781년 쿨롱이 그 특성에 대하여 광범위한 연구를 수행했기 때문이다. 특히 건마찰은 윤활 액체가 없는 물체의 접촉면 사이에서 일어난다.

 

건마찰 이론 : 건마찰 이론은 표면이 거친 수평면 위에서 균일한 무게인 블록을 수평 방향으로 잡아당겼을 때 일어나는 효과를 생각해보면 가장 쉽게 설명 된다. 마찰의 성질을 최대한 이해하기 위해서는 접촉면이 단단하지 않고 변형 가능하다고 생각해야 한다. 바닥에는 접촉면을 따라서 수직력과 마찰력 모두가 분포한다. 평형이 되기 위해서는 블록의 의 무게와 균형을 우리기 위해 수직력이 위쪽으로 작용해야하며, 마찰력은 작용력이 블록을 오른쪽으로 움직이게 하는 것을 막기 위해 왼쪽으로 작용해야 한다. 바닥과 블록사이의 접촉면을 자세히 검토해 보면 어떻게 이러한 마찰과 수직력이 생기는지 알 수 있다.

 

한계 정마찰력 : 작용력이 증가함에 따라서 힘이 점점 증가하게 되며 평형이 깨어지는 최대 마찰력을 말한다.

 

마찰력은 정지시 생기는 정지 마찰력고 움직일 시 생기는 동마찰력이 있으며 각각 부재에 따라 계수를 가지게 된다.

 

2. 건마찰과 관련된 문제들

만일 강체가 마찰 효과를 포함하는 힘계에서 평형 상태에 있을 때 그 힘계는 평형 방정식뿐만 아니라 마찰력의 지배 방정식도 만족해야 한다.

 

마찰 문제의 유형 : 일반적으로 건 마찰과 관련된 역학적 문제는 세 가지 유형이 있다. 이 문제들은 일단 자유물체도를 그리고, 미지수의 총 개수가 결정되어 이용할 수 있는 평형 방정식의 총 개수와 비교하면 쉽게 분류된다. 모든 경우에 있어서 기하학적 형상 및 치수는 알고 있다고 가정한다.

 

3. 쐐기

쐐기는 매우 간단한 기계로서 가한 힘에 대해 거의 직각 방향으로 작용 시켜, 종종 가한 힘을 좀더 큰 힘으로 바꾸는데 사용된다. 또한 쐐기는 무거운 하중을 조금 이동하거나 조정하는 데도 사용된다. 쐐기를 사용하여 블록을 들어올리는 경우, 일반 적으로 쐐기의 무게는 보통 블록의 무게에 비해서 작으므로 고려하지 않는다. 또한 마찰력은 쐐기의 운동 방향과 반대로 작용해야 한다. 합수직력의 위치는 블록이나 쐐기가 엎어지지 않으므로 힘의 해석에서는 중요하지 않으며, 모멘트 평형방정식을 고려하지 않는다.

 

4. 나사에서의 마찰력

대부분의 경우 나사는 채결용으로 사용된다. 그러나 여러 유형의 기계에서, 기계의 한 부분에서 다른 부분으로 동력이나 운동을 전달하기 위해 나사를 채용한다. 사각나사는 대개 후자의 목적에 사용되며, 특히 나사의 축을 따라 큰 힘이 작용될 때 더욱 그러하다. 나사는 단순히 경사면 또는 실린더 주위에 감겨진 쐐기의 형태로서 생각할 수 있다.

 

5. 평벨트의 마찰력

벨트 드라이버나 밴드 브레이크를 설계할 때는 벨트와 접촉면 사이에 생기는 마찰력을 구해야할 필요가 있다. V벨트의 경우 다른 유형의 벨트에 관한 해석은 이와 유사한 원리에 기초한다.

 

6. 칼라 베어링, 피봇 베어링, 디스크에서의 마찰력

피봇 및 칼라 베어링은 보통, 기계의 회전축에서 축하중을 지지하는데 쓰인다. 만일 베어링이 윤홀이 되지 않거나 또는 단지 부분적으로만 윤활이 된다면, 축력을 받는 축을 회전시키는데 필요한 모멘트를 구하기 위하여 건마찰이론을 적용할 수 있다.

 

7. 저널 베어링에서의 마찰력

축이나 차축이 측면 하중을 받을 때 이를 지지하기 위하여 보통 저널 베어링을 사용한다. 윤활이 잘 된 저널 베어링은 유체역학의 법칙을 따르며, 베어링의 마찰 저항을 구하기 위하여 윤활유의 점성, 회전 속도, 축과 베어링 사이의 간극의 크기 등을 필요로 한다. 그러나 베어링이 윤활되지 않거나 부분적으로만 윤활될 때의 마찰 저항은 건마찰 법칙에 기초하여 해석될 수 있다.

 

8. 구름 저항

만일 무게가 있는 단단한 실린더가 단단한 표면을 따라 일정한 속도로 구른다면 실린더의 표면에 작용되는 수직력은 접촉점의 접선에서 작용한다. 이런 조건하에서 만일 실린더가 공기로부터의 마찰 저항을 받지 않는다면 운동은 무한히 계속될 것이다. 그러나 실제로는 어던 물질도 완전히 단단하지는 않으므로, 실린더 표면의 반작용력은 수직압의 분포로 이뤄진다. 실린더가 단단한 표면을 구를 경우, 표면 재료는 변형하면서 실린더의 운동을 저지한다. 반면에, 뒤쪽 재료는 변형 상태에서 부터 회복하여 실린더를 앞으로 밀려고 한다.