摩擦
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2つの物体間の摩擦。青い物体は緑の物体よりも傾斜面に対して摩擦が大きい。
フラクタル粗面を持つ模擬ブロック。静的摩擦相互作用を示す[ 1 ]

摩擦とは、固体表面、流体層、および材料要素が互いに滑ったり擦れ合ったりする相対運動に抵抗する力です。 [ 2 ] [ 3 ]摩擦の種類には、乾式摩擦、流体摩擦、潤滑摩擦、皮膚摩擦、内部摩擦などがありますが、これらは全てではありません。これらの摩擦過程の研究はトライボロジーと呼ばれ、2000年以上の歴史があります。[ 4 ]

摩擦は劇的な結果をもたらすことがあります。例えば、木片をこすり合わせることで生じる摩擦を利用して火を起こすことが挙げられます。また、多くの種類の摩擦に伴うもう一つの重要な結果は摩耗であり、性能の低下や部品の損傷につながる可能性があります。摩擦によるエネルギー損失は、世界の総エネルギー消費量の約20%を占めていることが知られています。[ 5 ] [ 4 ]

摩擦における減速力には、凹凸の変形から電荷の発生、局所構造の変化に至るまで、様々な要因が関与しています。接触する2つの物体が互いに移動すると、これらの様々な要因により、一部の機械的エネルギーが熱、構造変化の自由エネルギー、その他の散逸に変換されます。移動距離あたりの総散逸エネルギーが減速摩擦力、F=E/dです。これらの相互作用の複雑さにより、第一原理から摩擦を計算することは困難であり、多くの場合、経験的な方法を用いた分析や理論構築が容易になります。 [ 3 ] [ 2 ]

種類

摩擦にはいくつかの種類があります。

  • 乾き摩擦とは、接触している二つの固体表面の相対的な横方向の動きに抵抗する力です。乾き摩擦は、静止面間の静摩擦（「スティクション」）と、運動面間の動摩擦に分けられます。原子摩擦や分子摩擦を除き、乾き摩擦は一般的に、凹凸と呼ばれる表面構造の相互作用によって生じます（図参照）。
  • 流体摩擦とは、互いに相対的に動いている粘性流体の層間の摩擦を指します。 [ 6 ] [ 7 ]
  • 潤滑摩擦は、潤滑流体が2つの固体表面を分離する流体摩擦の一例です。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
  • 表面摩擦は、物体の表面を横切る流体の動きに抵抗する力である抗力の要素です。
  • 内部摩擦とは、固体が変形する際に、その固体を構成する要素間の動きに抵抗する力である。[ 7 ] [ 4 ]

歴史

アリストテレス、ウィトルウィウス、大プリニウスなど多くの古代の著述家は、摩擦の原因と軽減に関心を抱いていました。[ 11 ]彼らは静止摩擦と動摩擦の違いを認識しており、テミスティオスは350年に「静止している物体を動かすよりも、動いている物体の運動を促進する方が簡単である」と述べています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

滑り摩擦の古典的な法則は、1493年にトライボロジーの先駆者であるレオナルド・ダ・ヴィンチによって発見されましたが、彼のノートに記録された法則は公表されず、未知のままでした。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]これらの法則は、 1699年にギヨーム・アモントンによって再発見され[ 21 ]、アモントンの乾き摩擦の3法則として知られるようになりました。アモントンは、摩擦の性質を表面の凹凸と、表面を押し付ける重りを持ち上げるために必要な力の観点から提示しました。この見解は、ベルナール・フォレスト・ド・ベリドール[ 22 ]とレオンハルト・オイラー（1750）によってさらに詳しく説明され、彼らは傾斜面上の重りの安息角を導き出し、初めて静摩擦と動摩擦を区別しました。[ 23 ]ジョン・テオフィラス・デサグリエ（1734）は、摩擦における接着の役割を初めて認識しました。[ 24 ]微視的な力は表面をくっつける原因となり、彼は摩擦が接着面を引き裂くために必要な力であると提唱しました。

摩擦についての理解は、シャルル・オーギュスタン・ド・クーロン（1785）によってさらに発展させられました。[ 21 ]クーロンは、摩擦に及ぼす4つの主な要因、すなわち、接触する物質の性質とその表面コーティング、表面積の広さ、通常の圧力（または荷重）、および表面が接触している時間の長さ（静止時間）の影響を調査しました。[ 15 ]クーロンはさらに、摩擦の性質に関して提案されていた様々な説明のどちらを採用するかを判断するために、滑り速度、温度、湿度の影響を考慮しました。静摩擦と動摩擦の区別はクーロンの摩擦法則（下記参照）で行われていますが、この区別はヨハン・アンドレアス・フォン・ゼグナーによって1758年にすでになされていました。 [ 15 ] 静止時間の影響は、ピーテル・ファン・ミュッシェンブローク（1762）によって、繊維が絡み合った繊維質物質の表面を考察することで説明されました。この表面では摩擦が増加する有限の時間がかかります。

ジョン・レスリー（1766–1832）は、アモントンとクーロンの見解の弱点を指摘した。重りが連続する凹凸の斜面を上って引っ張られることで摩擦が生じるのであれば、反対の斜面を下るときになぜつり合わなくなるのか？レスリーは、デザグリエが提唱した粘着力の役割にも同様に懐疑的だった。粘着力は、全体として動きを加速させる傾向と減速させる傾向が同じであるはずだからだ。[ 15 ]レスリーの見解では、摩擦は時間に依存して凹凸が平坦化、押し下げられ、以前は空洞だった場所に新しい障害物を作り出すプロセスであると見なされるべきである。

熱カメラで捉えた摩擦熱

エネルギー保存の法則と熱力学第一法則の発展の長い過程で、摩擦は機械的仕事を熱に変換する手段として認識されました。1798年、ベンジャミン・トンプソンは大砲の掘削実験について報告しました。[ 25 ]

アーサー・ジュール・モラン(1833) は、滑り摩擦と転がり摩擦の概念を開発しました。

1842年、ジュリアス・ロバート・マイヤーは製紙用パルプの摩擦熱を発生させ、温度上昇を測定した。[ 26 ] 1845年、ジュールは「熱の機械的当量」と題する論文を発表し、抵抗器を通過する電流の摩擦と水槽内で回転する外輪の摩擦に基づいて、「単位熱量を生成する」ために必要な機械的仕事量の数値を特定した。[ 27 ]

オズボーン・レイノルズ（1866）は粘性流の方程式を導出した。これにより、今日の工学で広く用いられている摩擦（静摩擦、動摩擦、流体摩擦）の古典的な経験的モデルが完成された。[ 16 ] 1877年、フリーミング・ジェンキンとJAユーイングは静摩擦と動摩擦の連続性について研究した。[ 28 ]

1907年、GHブライアンは熱力学の基礎を探究した著書『熱力学：第一原理とその直接的応用を主眼とする入門書』を出版した。ブライアンは、粗い表面上を走行する粗い物体の場合、走行体によって行われる機械的仕事が表面が受ける機械的仕事を上回ることを指摘した。この失われた仕事は、摩擦によって発生する熱によって補われる。[ 29 ]

プランクは長年にわたり、例えば1879年の論文、特に1926年には、摩擦による熱の発生は熱を定義する最も具体的な方法であり、不可逆的な熱力学的プロセスの代表的な例であると主張しました。[ 30 ]

20 世紀の研究の焦点は、摩擦の背後にある物理的メカニズムを理解することに置かれました。フランク・フィリップ・ボウデンとデイヴィッド・テイバー(1950) は、微視的レベルでは、表面間の実際の接触面積は見かけの面積のごく一部であることを示しました。[ 17 ]凹凸によって生じるこの実際の接触面積は、圧力とともに増大します。原子間力顕微鏡の開発(1986 年頃) により、科学者は原子スケールで摩擦を研究できるようになり、[ 16 ]そのスケールでは乾燥摩擦は表面間せん断応力と接触面積の積であることが示されました。これら 2 つの発見は、乾燥表面間の垂直抗力と静摩擦力の巨視的比例関係 を示すアモントンの第 1 法則(下記)を説明しています。

乾燥摩擦の法則

滑り（動）摩擦の基本的な特性は 15 世紀から 18 世紀にかけて実験によって発見され、3 つの経験法則として表現されました。

  • アモントンの第一法則: 摩擦力は加えられた荷重に正比例します。
  • アモントンの第二法則: 摩擦力は見かけの接触面積とは無関係である。
  • クーロンの摩擦の法則: 動摩擦は滑り速度に依存しません。

乾式摩擦

乾き摩擦は、接触している二つの固体表面の相対的な横方向の動きに抵抗します。乾き摩擦には、静止面間の「静摩擦」（スティクション）と、運動面間の「動摩擦」（滑り摩擦または動摩擦と呼ばれることもあります）の二つの形態があります。

クーロン摩擦は、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンにちなんで名付けられた、乾燥摩擦力を計算するための近似モデルである。これは以下のモデルによって規定される ： [ 31 ]Ff≤μFn、{\displaystyle F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },}

  • Ff{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}摩擦力は、各表面が他の表面に対して及ぼす力です。摩擦力は表面と平行で、正味の力とは反対の方向に作用します。
  • μ{\displaystyle \mu}摩擦係数は接触する材料の経験的特性である。
  • Fn{\displaystyle F_{\mathrm {n} }}各表面から他の表面に対して及ぼされる、表面に対して垂直（法線）方向の法線力です。

クーロン摩擦は0から までの任意の値を取り、表面に対する摩擦力の方向は、摩擦がない場合に表面が経験する動きの方向と反対になります。したがって、静的な場合、摩擦力は表面間の動きを防ぐために必要な値と全く同じであり、そのような動きを引き起こす傾向のある正味の力と釣り合います。この場合、クーロン近似は実際の摩擦力の推定値を提供するのではなく、この力の閾値を提供し、その値を超えると動きが始まります。この最大の力は牽引力として知られています。 Ff{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}μFn{\displaystyle \mu F_{\mathrm {n} }}

摩擦力は常に、2つの表面間の動き（動摩擦の場合）または潜在的動き（静摩擦の場合）に反対する方向に作用します。例えば、カーリングストーンが氷の上を滑るとき、その動きは減速する運動力によって減速されます。潜在的動きの例として、加速する車の駆動輪は前向きの摩擦力を受けます。もし前向きの摩擦力がなければ、車輪は空転し、タイヤは路面に沿って後方に滑ります。ここで注意すべき点は、摩擦力が車両の進行方向ではなく、タイヤと路面間の（潜在的）滑りの方向であるということです。

法線力

斜面上のブロックの自由体図。矢印は力の方向と大きさを示すベクトルです。Nは法線力、mgは重力、F fは摩擦力です。

法線力は、2つの平行な面を互いに圧縮する力として定義され、その方向は面に対して垂直です。質量が水平面上に置かれている単純なケースでは、法線力の唯一の成分は重力による力であり、ここで です。この場合、平衡条件から摩擦力の大きさはゼロ、となります。実際、摩擦力は常に を満たし、滑りが始まるほど急な臨界傾斜角（ で与えられる）でのみ となります。 北＝メートルグラム{\displaystyle N=mg\,}Ff＝0{\displaystyle F_{f}=0}Ff≤μ北{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}日焼け−1⁡μ{\displaystyle \tan ^{-1}\mu }

摩擦係数は、表面粗さなど、接触する材料の様々な側面のみに依存する、経験的（実験的に測定される）構造特性です。摩擦係数は質量や体積の関数ではありません。例えば、大きなアルミニウムブロックの摩擦係数は小さなアルミニウムブロックと同じです。しかし、摩擦力自体の大きさは法線力に依存し、したがってブロックの質量にも依存します。

状況によっては、法線力の計算に重力以外の力も含まれる場合があります。物体が水平面上にあり、滑らせるような外力が作用している場合、物体と表面の間の法線力は となります。ここで、はブロックの重さ、は外力の下向きの成分です。滑る前は、この摩擦力は となります。ここで、は外力の水平方向の成分です。したがって、一般に、この摩擦力が に達した場合にのみ、滑走が始まります。それまでは、摩擦は平衡を保つために必要な力であるため、単なる反応として扱うことができます。 北{\displaystyle N}P{\displaystyle P}北＝メートルグラム+Py{\displaystyle N=mg+P_{y}}メートルグラム{\displaystyle mg}Py{\displaystyle P_{y}}Ff＝−P×{\displaystyle F_{f}=-P_{x}}P×{\displaystyle P_{x}}Ff≤μ北{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}Ff＝μ北{\displaystyle F_{f}=\mu N}

物体が傾斜面（例えば斜面）上にある場合、重力による垂直抗力は よりも小さくなります。これは、重力の力のうち、平面に垂直に働く力がより少なくなるためです。垂直抗力と摩擦力は、最終的にはベクトル解析、通常は自由体図を用いて決定されます。 メートルグラム{\displaystyle mg}

一般的に、摩擦を伴う静力学問題を解く手順は、接触面を仮に動かないものとみなすことです。これにより、それらの間の対応する接線反力を計算することができます。この摩擦​​反力が を満たす場合、仮の仮定は正しく、これが実際の摩擦力となります。そうでない場合、摩擦力は と等しく設定する必要があり、その結果生じる力の不均衡が滑りに関連する加速度を決定します。 Ff≤μ北{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}Ff＝μ北{\displaystyle F_{f}=\mu N}

摩擦係数

摩擦係数（COF）は、ギリシャ文字のμで表されることが多く、 2つの物体間の摩擦力と、滑り始めまたは滑り始めの時点で物体同士を押し付ける力の比に等しい無次元スカラー値です。摩擦係数は使用される材料によって異なります。たとえば、鋼鉄上の氷は摩擦係数が低く、舗装路上のゴムは摩擦係数が高くなります。摩擦係数は0に近い値から1より大きい値までの範囲です。同系金属の2つの表面間の摩擦係数は、異種金属の2つの表面間の摩擦係数よりも大きくなります。たとえば、真鍮は真鍮同士で動かした場合、摩擦係数が高くなりますが、鋼鉄やアルミニウムと動かした場合は摩擦係数が低くなります。[ 32 ]

互いに静止している表面の場合、 は静摩擦係数です。これは通常、動摩擦係数よりも大きくなります。一対の接触面の静摩擦係数は、材料の変形特性と表面粗さの複合効果によって決まります。これらの特性は、バルク材料内の原子間の化学結合、および材料表面と吸着物質間の化学結合に起因します。表面のフラクタル性は、表面の凹凸のスケーリング挙動を記述するパラメータであり、静摩擦の大きさを決定する上で重要な役割を果たすことが知られています。[ 1 ]μ＝μs{\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {s} }}μs{\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}

相対運動する表面において、 は動摩擦係数です。クーロン摩擦は に等しく、各表面の摩擦力は、他の表面に対する相対運動の方向と反対方向に作用します。 μ＝μけ{\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {k} }}μけ{\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }}Ff{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}

アーサー・モーリンは摩擦係数という用語を導入し、その有用性を実証しました。[ 15 ]摩擦係数は経験的な測定値であり、実験的に測定する必要があり、計算で求めることはできません。[ 33 ]表面が粗いほど、実効値が高くなる傾向があります。静摩擦係数と動摩擦係数はどちらも接触する表面のペアに依存します。特定の表面ペアでは、静摩擦係数は通常、動摩擦係数よりも大きくなります。テフロン同士のように、2つの摩擦係数が等しい場合もあります。

複合乾燥材料のほとんどは、摩擦係数の値が 0.3 ～ 0.6 です。この範囲外の値になることはまれですが、たとえばテフロンでは 0.04 という低い摩擦係数になることがあります。値が 0 の場合、摩擦がまったくないことを意味し、これはわかりにくい特性です。ゴムが他の表面と接触すると、摩擦係数は 1 ～ 2 になります。μ は常に 1 未満であると主張されることもありますが、これは正しくありません。ほとんどの関連用途ではμ < 1 ですが、値が 1 を超えるということは、物体を表面に沿って滑らせるために必要な力が、物体に対する表面の法線力よりも大きいことを意味するだけです。たとえば、シリコン ゴムやアクリル ゴムでコーティングされた表面の摩擦係数は、1 よりも大幅に大きくなることがあります。

摩擦係数は「材料特性」であるとよく言われますが、「システム特性」と分類する方が適切です。真の材料特性（導電率、誘電率、降伏強度など）とは異なり、任意の2つの材料の摩擦係数は、温度、速度、雰囲気などのシステム変数、そして現在一般的に老化時間と脱老化時間と呼ばれるもの、そして材料間の界面の幾何学的特性、すなわち表面構造に依存します。[ 1 ]例えば、厚い銅板に対して銅ピンが滑る場合、摩擦係数は低速（金属同士の滑り）では0.6ですが、高速（摩擦熱によって銅表面が溶け始める）では0.2未満になります。もちろん、後者の速度は摩擦係数を一意に決定するものではありません。摩擦熱が急速に除去されるようにピンの直径を大きくすると、温度は低下し、ピンは固体のままとなり、摩擦係数は「低速」試験の値まで上昇します。

顕著な不均一応力場を持つシステムでは、システムが滑る前に局所的な滑りが発生するため、マクロ的な静摩擦係数は適用される荷重、システムのサイズ、または形状に依存し、アモントンの法則はマクロ的には満たされません。[ 34 ]

おおよその摩擦係数

材料静止摩擦、μs{\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}運動摩擦/滑り摩擦、μけ{\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }\,}
乾燥して清潔潤滑剤付き 乾燥して清潔潤滑剤付き
アルミニウム 鋼鉄 0.61 [ 35 ]0.47 [ 35 ]
アルミニウム アルミニウム 1.05～1.35 [ 35 ]0.3 [ 35 ]1.4 [ 35 ] –1.5
金 金 2.5
白金 白金 1.2 [ 35 ]0.25 [ 35 ]3.0
銀 銀 1.4 [ 35 ]0.55 [ 35 ]1.5
アルミナセラミック 窒化ケイ素セラミック 0.004（湿潤）[ 36 ]
BAM（セラミック合金AlMgB 14）ホウ化チタン（TiB 2） 0.04～0.05 [ 37 ]0.02 [ 38 ] [ 39 ]
真鍮 鋼鉄 0.35～0.51 [ 35 ]0.19 [ 35 ]0.44 [ 35 ]
鋳鉄 銅 1.05 [ 35 ]0.29 [ 35 ]
鋳鉄 亜鉛 0.85 [ 35 ]0.21 [ 35 ]
コンクリート ゴム 1.0 0.30（ウェット） 0.6～0.85 [ 35 ]0.45～0.75（湿潤）[ 35 ]
コンクリート 木材 0.62 [ 35 ] [ 40 ]
銅 ガラス 0.68 [ 41 ]0.53 [ 41 ]
銅 鋼鉄 0.53 [ 41 ]0.36 [ 35 ] [ 41 ]0.18 [ 41 ]
ガラス ガラス 0.9～1.0 [ 35 ] [ 41 ]0.005～0.01 [ 41 ]0.4 [ 35 ] [ 41 ]0.09～0.116 [ 41 ]
ヒト滑液 人間の軟骨 0.01 [ 42 ]0.003 [ 42 ]
氷 氷 0.02～0.09 [ 43 ]
ポリエチレン鋼鉄 0.2 [ 35 ] [ 43 ]0.2 [ 35 ] [ 43 ]
PTFE（テフロン） PTFE（テフロン） 0.04 [ 35 ] [ 43 ]0.04 [ 35 ] [ 43 ]0.04 [ 35 ]
鋼鉄 氷 0.03 [ 43 ]
鋼鉄 PTFE（テフロン） 0.04 [ 35 ] −0.2 [ 43 ]0.04 [ 35 ]0.04 [ 35 ]
鋼鉄 鋼鉄 0.74 [ 35 ] −0.80 [ 43 ]0.005～0.23 [ 41 ] [ 43 ]0.42～0.62 [ 35 ] [ 41 ]0.029～0.19 [ 41 ]
木材 金属 0.2～0.6 [ 35 ] [ 40 ]0.2（湿潤）[ 35 ] [ 40 ]0.49 [ 41 ]0.075 [ 41 ]
木材 木材 0.25～0.62 [ 35 ] [ 40 ] [ 41 ]0.2（湿潤）[ 35 ] [ 40 ]0.32～0.48 [ 41 ]0.067～0.167 [ 41 ]

特定の条件下では、一部の材料は非常に低い摩擦係数を示す。例えば、（高秩序熱分解）グラファイトは摩擦係数が0.01未満になることがある。[ 44 ]この超低摩擦状態は超潤滑性 と呼ばれる。[ 45 ]

静止摩擦

質量が動いていない場合、物体は静止摩擦を受けます。物体が動くまでは、加えられた力が増加するにつれて摩擦は増加します。物体が動くと、最大静止摩擦よりも小さい動摩擦を受けます。

静摩擦とは、互いに相対的に動いていない2つ以上の固体物体間の摩擦です。例えば、静摩擦は物体が傾斜面を滑り落ちるのを防ぎます。静摩擦係数は通常、μsと表記され、動摩擦係数よりも高くなります。静摩擦は、固体表面における複数の長さスケールにわたる表面粗さの特徴の結果として生じると考えられています。これらの特徴は凹凸と呼ばれ、ナノスケールの次元まで存在し、真の固体対固体接触は、見かけの接触面積または公称接触面積のほんの一部を占める限られた数の点でのみ発生します。[ 46 ]凹凸の変形から生じる荷重と真の接触面積との間の直線性は、典型的なアモントン・クーロン型摩擦に見られる静摩擦力と垂直力との間の直線性を生み出します。[ 47 ]

物体が動くためには、加えられた力が静止摩擦力を克服しなければならない。滑りが始まる前の2つの表面間の最大摩擦力は、静止摩擦係数と法線力の積で、 である。滑りが発生していない場合、摩擦力は0から までの任意の値を取ることができる。1つの表面をもう1つの表面上で滑らせようとする力よりも小さい力は、同じ大きさで反対方向の摩擦力によって阻止される。 よりも大きい力は静止摩擦力を克服し、滑りを引き起こす。滑りが発生した瞬間、静止摩擦はもはや適用されず、2つの表面間の摩擦は動摩擦と呼ばれる。しかし、真の静止摩擦が0の場合でも、見かけ上の静止摩擦が観察されることがある。[ 48 ]F最大＝μsFn{\displaystyle F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}}F最大{\displaystyle F_{\text{max}}}F最大{\displaystyle F_{\text{max}}}F最大{\displaystyle F_{\text{max}}}

静止摩擦の一例としては、車の車輪が地面を転がる際にスリップを防ぐ力があります。車輪は動いていますが、地面に接しているタイヤの部分は地面に対して静止しているため、動摩擦ではなく静摩擦となります。スリップが発生すると、車輪の摩擦は動摩擦に変化します。アンチロックブレーキシステムは、ロックした車輪の回転を再開させ、車が静止摩擦を維持するという原理で作動します。

運動が差し迫っているときの静止摩擦の最大値は、限界摩擦と呼ばれることもありますが[ 49 ]、 この用語は普遍的に使用されているわけではありません。[ 6 ]

動摩擦

動摩擦（動摩擦、滑り摩擦とも呼ばれる）は、2つの物体が互いに相対的に動いて擦れ合うときに発生します（地面を滑るそりのように）。動摩擦係数は通常、μ kと表され、同じ材料の場合、通常、静摩擦係数よりも小さくなります。[ 50 ] [ 51 ]しかし、リチャード・ファインマンは「乾燥した金属では、違いを示すのは非常に難しい」と述べています。[ 52 ]滑りが始まった後の2つの表面間の摩擦力は、動摩擦係数と法線 力の積です。これは、振動系のクーロン減衰に関係しています。 Fけ＝μけFn{\displaystyle F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{n}}

新しいモデルは、動摩擦が静摩擦よりも大きくなる可能性があることを示し始めています。[ 53 ]他の多くの場合、例えばゴムと道路の摩擦では粗さの影響が支配的です。[ 53 ]表面粗さと接触面積は、表面積力が慣性力を支配するマイクロスケールおよびナノスケールの物体の動摩擦に影響を与えます。[ 54 ]

ナノスケールにおける動摩擦の起源は、エネルギーモデルによって合理化できる。[ 55 ]滑りの間、滑り接触面の奥に新たな表面が形成され、その手前では既存の表面が消失する。すべての表面は熱力学的表面エネルギーを伴うため、新たな表面を形成するには仕事が必要であり、その表面を除去する際にはエネルギーが熱として放出される。したがって、接触面の奥側を動かすには力が必要であり、手前側では摩擦熱が放出される。

ブロックが滑り始めるときの摩擦角θ

摩擦角

特定の用途では、物体が滑り始める最大角度で静摩擦を定義する方が便利です。これは摩擦角または摩擦角と呼ばれます。次のように定義されます。 したがって、 は水平からの角度、μsは物体間の静摩擦係数です。[ 56 ]この式は、摩擦角の経験的測定値からμsを計算するためにも使用できます。 日焼け⁡θ＝μs{\displaystyle \tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }}θ＝アークタンジェント⁡μs{\displaystyle \theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}}θ{\displaystyle \theta}

原子レベルの摩擦

原子同士を移動させるのに必要な力を決定することは、ナノマシンの設計における課題です。2008年、科学者たちは初めて、表面上で単一の原子を移動させ、必要な力を測定することに成功しました。超高真空とほぼ零度（5 K）の温度を用いて、改造された原子間力顕微鏡を用いて、コバルト原子と一酸化炭素分子を銅と白金の表面上で移動させました。[ 57 ]

クーロンモデルの限界

クーロン近似は、以下の仮定に基づいています。表面が原子的に密接に接触するのは全体の面積のごく一部であること、この接触面積は法線力に比例すること (すべての面積が原子的に接触すると飽和状態となる)、摩擦力は接触面積とは無関係に、加えられた法線力に比例すること。クーロン近似は基本的に経験的に構築されたものです。これは、極めて複雑な物理的相互作用のおおよその結果を説明する経験則です。この近似の長所は、その単純さと汎用性です。法線力と摩擦力の関係は厳密には線形ではありません (したがって、摩擦力は表面の接触面積と完全には無関係ではありません) が、クーロン近似は多くの物理システムの解析において摩擦を適切に表現します。

面が結合している場合、クーロン摩擦は近似としては非常に不正確になります（例えば、粘着テープは、法線力が全くない、あるいは負の法線力がかかっている場合でも滑りを抑制します）。この場合、摩擦力は接触面積に大きく依存する可能性があります。ドラッグレース用のタイヤの中には、この理由から粘着性のあるものもあります。しかし、摩擦の背後にある基礎物理学の複雑さにもかかわらず、その関係は多くの用途で有用なほど正確です。

「負の」摩擦係数

2012年現在、低荷重領域において摩擦係数が実質的に負になる可能性があることを実証した研究が1件ある。これは、法線力の減少が摩擦の増加につながることを意味する。これは、法線力の増加が摩擦の増加につながるという日常的な経験とは矛盾している。[ 58 ]この研究は2012年10月にネイチャー誌に報告され、グラフェンに吸着された酸素が存在するグラフェンシート上を原子間力顕微鏡の針が引っ張られた際に生じる摩擦に関するものである。[ 58 ]

クーロンモデルの数値シミュレーション

クーロンモデルは摩擦の簡略化されたモデルであるにもかかわらず、多体系や粒状材料などの多くの数値シミュレーションアプリケーションで有用である。その最も単純な表現でさえ、多くの応用例で必要とされる固着と滑りの基本的な効果を包含しているが、クーロン摩擦と二面接触または一面接触を伴う機械システムを効率的に数値的に統合するには、特定のアルゴリズムを設計する必要がある。 [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]クーロン摩擦では、いわゆるパンルヴェのパラドックスのような極めて非線形な効果が現れることがある。[ 64 ]

乾燥摩擦と不安定性

乾燥摩擦は、摩擦がない場合には安定した挙動を示す機械システムにおいて、いくつかの種類の不安定性を引き起こす可能性がある。[ 65 ] これらの不安定性は、滑り速度の増加に伴う摩擦力の減少、摩擦中の発熱による材料の膨張（熱弾性不安定性）、または2つの弾性材料の滑りの純粋な動的効果（アダムス・マルティンズ不安定性）によって引き起こされる可能性がある。後者は、1995年にジョージ・G・アダムスとジョアン・アルメニオ・コレイア・マルティンズによって最初に滑らかな表面で発見され[ 66 ] [ 67 ]、後に周期的な粗い表面でも発見された。[ 68 ]特に、摩擦に関連する動的不安定性は、ブレーキの鳴き声やグラスハープの「歌」の原因であると考えられている。[ 69 ] [ 70 ]これらの現象は、速度による摩擦係数の低下としてモデル化される固着と滑りを伴う。[ 71 ]

実際に重要な例としては、バイオリン、チェロ、ハーディガーディ、二胡など の擦弦楽器の弦の自己振動があります。

単純な機械システムにおける乾燥摩擦とフラッター不安定性の関係が発見されました。 [ 72 ]詳細については、 Wayback Machineで2015年1月10日にアーカイブされた映画を ご覧ください。

摩擦不安定性は、滑り界面で新たな自己組織化パターン（または「二次構造」）の形成につながる可能性があり、例えば、いわゆる自己潤滑材料の摩擦と摩耗の低減に利用されるその場で形成されたトライボフィルムなどが挙げられる。[ 73 ]

流体摩擦

流体摩擦は、互いに相対的に運動する流体層間に発生します。この内部抵抗は粘性と呼ばれます。日常用語では、流体の粘性は「厚さ」で表されます。例えば、水は粘度が低いため「薄い」のに対し、蜂蜜は粘度が高いため「濃い」のです。流体の粘度が低いほど、変形や移動が容易になります。

全ての実在流体（超流体を除く）は、せん断抵抗をある程度示すため、粘性を持ちます。教育や説明の目的では、非粘性流体、またはせん断抵抗を示さないため粘性を持たない理想流体の概念を用いると便利です。

潤滑摩擦

潤滑摩擦は、流体が二つの固体表面を分離する流体摩擦の一種です。潤滑とは、潤滑剤と呼ばれる物質を表面間に介在させることで、互いに相対的に動く近接した一方または両方の表面の摩耗を軽減するために用いられる技術です。

ほとんどの場合、負荷は、潤滑油の表面間の摩擦粘性抵抗によって流体内に発生する圧力によって支えられます。適切な潤滑により、機器は軽度の摩耗で円滑に連続運転でき、ベアリングに過度の応力や焼き付きが生じることもありません。潤滑が不十分になると、金属やその他の部品が互いに擦れ合い、熱を発生し、損傷や故障につながる可能性があります。

皮膚摩擦

表面摩擦は、流体と物体の皮膚との相互作用によって生じ、流体と接触する物体の表面積に直接関係します。表面摩擦は抗力方程式に従い、速度の2乗に比例して増加します。

表面摩擦は、物体周囲の境界層における粘性抵抗によって生じます。表面摩擦を低減する方法は2つあります。1つ目は、移動物体を翼型のように滑らかな流れができるように形状を変えることです。2つ目は、移動物体の長さと断面積を可能な限り小さくすることです。

内部摩擦

内部摩擦とは、固体が変形する際にその固体を構成する要素間の動きに抵抗する力です。

固体の塑性変形とは、物体の内部分子構造に生じる不可逆的な変化です。この変化は、加えられた力または温度変化のいずれか（あるいは両方）によって引き起こされる可能性があります。物体の形状変化はひずみと呼ばれ、ひずみを引き起こす力は応力と呼ばれます。

固体における弾性変形は、物体の内部分子構造の可逆的な変化です。応力は必ずしも永続的な変化を引き起こすわけではありません。変形が生じると、内部の力が加えられた力に抵抗します。加えられた応力がそれほど大きくない場合、これらの抵抗力は加えられた力に完全に抵抗し、物体は新たな平衡状態を取り、力を取り除くと元の形状に戻ります。これは弾性変形または弾性と呼ばれます。

放射摩擦

光圧の結果として、アインシュタイン[ 74 ]は1909年に物質の運動に抵抗する「放射摩擦」の存在を予言した。彼は次のように記している。「放射は板の両面に圧力をかける。板が静止している場合、両面に及ぼす圧力は等しい。しかし、板が運動している場合、運動中に前方にある表面（前面）で反射される放射は、背面よりも多くなる。したがって、前面に作用する後方圧力は、背面に作用する圧力よりも大きくなる。したがって、2つの力の合力として、板の運動に抵抗する力が残り、板の速度とともに増加する。この合力を簡潔に「放射摩擦」と呼ぶことにする。」

その他の種類の摩擦

転がり抵抗

転がり抵抗とは、車輪やその他の円形物体が表面を転がる際に、物体または表面の変形によって生じる抵抗力です。一般的に、転がり抵抗の力は動摩擦による力よりも小さいです。[ 75 ]軌道上の鋼鉄車輪の転がり抵抗係数の典型的な値は0.001です。[ 76 ] 転がり抵抗の最も一般的な例の一つは、約0.02の係数を持つ自動車のタイヤが道路を転がる際に発生するもので、この過程で副産物として熱と音が発生します。 [ 77 ]

ブレーキ摩擦

ブレーキを装備した車輪は、通常、車両や回転機械の減速・停止を目的として、大きな制動力を発生させることができます。制動摩擦は転がり摩擦とは異なり、転がり摩擦の摩擦係数は小さいのに対し、制動摩擦の摩擦係数はブレーキパッドの材質の選択によって大きく設計されます。

摩擦電気効果

二つの物質を擦り合わせると、電子またはイオンの電荷移動が起こります。このために必要なエネルギーが摩擦に寄与します。さらに、滑りによって静電気が発生し、可燃性ガスや蒸気が存在する場合は危険な状態となる可能性があります。発生した静電気の放電により、可燃性混合物が発火し、爆発を引き起こす可能性があります。

ベルト摩擦

ベルト摩擦は、滑車に巻き付けられたベルトの一端が引っ張られた際に作用する力から観察される物理的特性です。ベルトの両端に作用する張力は、ベルト摩擦方程式によってモデル化できます。

実際には、ベルト摩擦方程式によって計算されるベルトまたはロープに作用する理論的な張力は、ベルトが支えられる最大張力と比較することができます。これにより、このような装置の設計者は、ベルトまたはロープが滑らないようにするために、滑車に何回巻き付ける必要があるかを知ることができます。登山家やセーリングクルーは、基本的な作業を遂行する際に、ベルト摩擦に関する標準的な知識を発揮します。

削減

デバイス

ホイール、ボールベアリング、ローラーベアリング、エアクッション、その他のタイプの流体ベアリングなどのデバイスは、滑り摩擦をはるかに小さなタイプの転がり摩擦に変換できます。

低摩擦ベアリングには、ナイロン、HDPE 、PTFEなどの多くの熱可塑性材料が一般的に使用されています。これらの材料は、負荷が増加するにつれて摩擦係数が低下するため、特に有用です。[ 78 ]耐摩耗性を向上させるため、高負荷ベアリングやクリティカルベアリングには、通常、非常に高分子量グレードが指定されます。

潤滑剤

摩擦を低減する一般的な方法は、油、水、グリースなどの潤滑剤を2つの表面の間に塗布することです。これにより、摩擦係数が劇的に低下することがよくあります。摩擦と潤滑に関する科学はトライボロジーと呼ばれます。潤滑技術とは、潤滑剤と科学の応用、特に産業または商業目的への応用を組み合わせた技術です。

超潤滑性は、最近発見された現象で、グラファイトにおいて観測されています。これは、2つの滑り物体間の摩擦力が大幅に減少し、ゼロに近づく現象です。ただし、微量の摩擦エネルギーは依然として散逸します。

摩擦を克服するための潤滑剤は、必ずしも薄い乱流流体やグラファイトやタルクなどの粉末状の固体である必要はありません。音響潤滑では、実際に音を潤滑剤として使用します。

2つの部品間の摩擦を低減するもう一つの方法は、一方の部品に微小振動を重畳することです。これは、超音波アシスト切断で使用される正弦波振動や、ディザと呼ばれる振動ノイズなどです。

アプリケーション

摩擦は多くの工学分野において重要な要素です。

交通機関

  • 自動車のブレーキは本質的に摩擦を利用しており、車両の運動エネルギーを熱に変換することで減速させます。ちなみに、この大量の熱を安全に分散させることは、ブレーキシステムを設計する上での技術的な課題の一つです。ディスクブレーキは、回転するディスクに横方向に押し付けられたブレーキパッドとディスクとの間の摩擦を利用しています。ドラムブレーキでは、ブレーキシューまたはパッドが回転するシリンダー（ブレーキドラム）に外側に押し付けられることで摩擦が生じます。ブレーキディスクはドラムよりも効率的に冷却できるため、ディスクブレーキはより優れた制動性能を発揮します。[ 79 ]
  • レール粘着とは、列車の車輪がレールに保持するグリップ力を指します。摩擦接触力学を参照してください。
  • 道路の滑りやすさは自動車にとって重要な設計と安全要素である[ 80 ]

測定

  • 摩擦計は表面の摩擦を測定する機器です。
  • プロフィログラフは舗装面の粗さを測定するために使用される装置です。

家庭での使用

  • マッチ棒を加熱して点火するには摩擦が利用されます（マッチ棒の先端とマッチ箱の擦れ面の間の摩擦）。[ 81 ]
  • 粘着パッドは、表面と物体との間の摩擦係数を効果的に高めることで、物体が滑らかな表面から滑り落ちるのを防ぐために使用されます。

参照

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