조인트 마찰이 무엇이고 어떻게 동작할까요? - 제 1편

Introduction

우리는 마찰력이 표면에 작용하는 수직 항력과 물체 사이의 마찰 계수에 의해 결정된다는 것을 배웁니다. 

그러나 조인트 마찰이 등장하면, 결과적인 마찰은 단순히 조인트에 작용하는 힘에만 의존하는 것이 아니라 조인트의 형태에도 영향을 받기 때문에 어려울 수 있습니다.

이번 1편에서는 조인트 마찰의 물리학적 원리를 설명한 뒤에 간단한 조인트에 대한 조인트 마찰을 명확히 정의해보도록 하겠습니다. 

What is Joint Friction?

1699년, 프랑스의 물리학자인 아몽통(Amontons)이 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci)의 마찰에 관한 두 법칙을 발견했습니다.

마찰력이 수직 하중에 직접 비례하며, 물체의 크기가 마찰에 영향을 미치지 않는다는 것입니다 (Bowden 및 Tabor, 1950; 1974). 

어떤 고체의 표면이 얼마나 윤기가 있든지 상관없이 많은 돌기(돌출물)가 있고 이 돌기들이 다른 표면과 접촉한다는 것입니다. 

 

 "두 고체를 함께 놓는 것은 스위스를 뒤집어 오스트리아 위에 세우는 것과 비슷하다. (밀접한 접촉 영역이 작을 것이다.)" (Bowden 및 Tabor, 1974)

조인트 마찰은 부품 간의 연결에서 발생하는 저항 슬라이딩 표면력입니다. 

다시말하면, 부품이 서로 움직이기 위해 저항하는 힘입니다. 

How does Friction Work?

두 금속 표면이 만나면 돌기와 돌기 사이의 접촉 면적이 매우 작기 때문에 압력이 매우 높아집니다.  

작은 접촉 하중에도 비균열에서 소성 변형이 일어나고, 기저 금속은 여전히 탄성 변형이 발생합니다. 

정상 하중이 증가하면 비균열이 변형되고 파단되어 하중에 닿아 지지하는 모든 표면 불균제의 합인 실제 접촉 면적이 증가합니다.

수세기에 걸쳐 엔지니어들은 널리 알려진 Amontons의 법칙을 광범위하게 사용해왔습니다. 

그러나 과학자들은 표면의 거칠기, 화학적 특성 및 마찰에 기여할 수 있는 다른 요소들의 상대적 중요성에 대해 논쟁하고 있습니다.

중간에 있는 "물질"을 배제한 간단한 이론들은 정적 마찰, 즉 슬라이딩을 시작하기 위해 필요한 힘이 거의 모든 고체 쌍 사이에서 사라져야 한다고 예측합니다. 

실제로, 만약 그게 사실이라면, 방 안의 모든 가구가 한 구석으로 미끄러지고 건물이 붕괴해야합니다. 

Robbins의 데이터는 공기에 노출된 모든 표면에 흡착되는 탄화수소 분자가 이 문제를 해소되는 걸 보여줍니다. 

사실, 이 분자들은 접촉하는 표면을 잠금 상태로 재배열하고 Amontons의 법칙을 충족시키는 정적 마찰력을 생성합니다.

과학자들은 수세기에 걸쳐 탄화수소 및 기타 이른바 '세 번째 물체'가 마찰에서 중요한 역할을 한다는 것을 알고 있었습니다. 

Robbins는 전반적으로 다음과 같이 말했습니다

이 문제에 접근하는 사람들의 자연스러운 경향은 표면 사이의 '먼지'를 무시함으로써 가능한 한 단순화된 분석을 시도하는 것이었습니다. 

보통, 이러한 다른 분자들을 도입하면 분석이 더 복잡해질 것으로 생각할 것입니다. 

그러나 사실은, 이 '먼지'가 매우 복잡한 것을 매우 간단하게 만듭니다.