摩擦力

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ある面に接していて、運動している物体、あるいは、動こうとしている物体の動きを妨げている力を摩擦力と言う。
運動している物体に働く摩擦力を動摩擦力と言い、静止している物体に働く摩擦力を静止摩擦力という。
物体が、接触面からこの面に対して垂直な方向に受ける力を垂直抗力と言う。
動摩擦力の大きさは垂直抗力の大きさに比例する。比例係数を動摩擦係数と言う。すなわち、動摩擦係数をμ，垂直抗力の大きさをNとして、動摩擦力の大きさf は、

で与えられる。
静止している物体を接触面と平行な方向に大きさf の力をかけるとき、静止摩擦力の向きは、この力と逆向きで、この方向の力のつり合いより、静止摩擦力の大きさもf となる。
静止摩擦力の大きさには限界があり、この限界を越えると、物体と接触面の間は滑り始めてしまう。この滑り出す限界のときの静止摩擦力の大きさを最大静止摩擦力と言う。
最大静止摩擦力は垂直抗力の大きさに比例する。比例係数を静止摩擦係数と言う。すなわち、静止摩擦係数を

，垂直抗力の大きさをNとして、最大静止摩擦力

は、

で与えられる。通常の静止摩擦力の大きさf について、

が成立する。

解説　何もない宇宙空間で物体を投げると、その物体は、初速度を保ったまま、どこまでも進んでいきます。これは、その物体の運動を妨げる力が存在しないからです。
一方、ザラザラとした面の上に消しゴムを置いて、面を少し傾けても消しゴムはすぐには動き始めません。これは、面と消しゴムの間に摩擦力が働いているからです。
摩擦力が働くのは、面を構成する分子と、消しゴムの分子の間に引力が働くからです。
面と消しゴムの間に、水や油などを流し込むと、この引力が弱まるため、摩擦力も弱くなり、滑りやすくなります。

面上に置かれた物体に糸をつけて引くとき、同じ力で引いても、物体の材質を代えると、速く動いたり、遅く動いたりします。これは、面と物体の間で決まる動摩擦係数の違いによります。運動を妨げる力(動摩擦力)fは、動摩擦係数μと面に対して垂直な方向に働く力(垂直抗力)Nの積となり、

面上で静止している物体に働いている静止摩擦力は、力のつり合いの式を立てて求めます。動摩擦力のように一定の値になるのではありません。物体を動かそうとする力をだんだん強くしていき、ついに動き出す限界になったときの静止摩擦力、すなわち、最大静止摩擦力

は、動摩擦力と同様の公式、静止摩擦係数

と垂直抗力Nの積となり、

従って、物体が静止しているとき、静止摩擦力fは、

を満たします。この不等式を物体が静止しているための条件として使うことがあります。

なお、同じ物体と同じ面の間では、静止摩擦係数の方が動摩擦係数よりも大きいことが知られています。

静止摩擦力は、必ずしも静止している物体に働く摩擦力とは限りません。
ベルトコンベア上をベルトとともに移動する物体がベルトから受けている摩擦力は静止摩擦力です。
自動車のタイヤと道路との間のスリップを無視すれば、自動車が動いているとき、タイヤと道路面に働いている摩擦力も静止摩擦力です。

例1　傾斜角を変えることのできる面と物体の間の静止摩擦係数