마찰력은 운동을 방해하는 힘으로, 운동의 반대방향으로 작용한다. 보통 실험안내서에서는
용수철저울로 당겨서 움직이는 순간의 눈금을 읽어 마찰력을 측정하도록 소개를 하는데,
여기서는 보다 쉽고 정확하게 마찰력을 측정하는 방법을 소개한다.
목 적 : 최대정지마찰력을 측정할 수 있고, 마찰력이 접촉면적, 물체의 무게, 접촉면의 종
류와 어떤 관계가 있는지 알 수 있다.
준비물 : 나무블록, 아크릴 블록, 도르래, 페트병, 실, 주전자, 유리판.
방 법 :
① 그림과 같이 페트병을 잘라 실을 달고, 도르래를 통하여 다른 쪽 끝을 수평면에 놓여있는 나무블록에 연결한다.
② 주전자로 페트병에 물을 조금 부어본다. 나무블록이 움직이지 않는데 왜 그런가? 물을 조금씩 계속 부으면 나무블록을 당기는 외력이 점점 커지는데도 나무블록은 움직이지 않는다. 이때 나무블록을 움직이지 못하게 하는 힘을 무엇이라고 하며, 이 힘과 외력은 어떤 관계에 있는가?
③ 물을 계속 더 부으면 움직이기 시작하는데 이 순간 물 붓기를 멈춘다. 이때 페트병 속의 물의 무게를 무엇이라고 할 수 있는가?
그림1 그림2 그림3 그림4
④ 그림1, 2, 3과 같이 나무블록을 돌려가면서 접촉면적을 다르게 할 때 최대정지마찰력이 어떻게 되는지 위와 같은 방법으로 실험해 보자. 접촉면에 따라 마찰력이 변하는가?
⑤ 그림4와 같이 접촉면은 같게 하고 블록을 한 장, 두 장, 세 장····, 얹어 무게를 다르게 할 때 최대정지 마찰력은 어
⑥ 이번에는 바닥의 재질을 유리로 바꾸어서 해 보고, 블록도 다른 것으로 바꾸어서 해보자. 접촉면의 성질에 따라 마찰력은 어떻게 달라지는가?
결 과
① 정지하고 있을 때의 마찰력을 정지마찰력이라 하고, 정지마찰력은 외력에 비례한다.
움직이는 순간 페트병 속의 물의 무게는 최대정지마찰력이 된다.
② 마찰력은 접촉면적에는 상관없이 모두 똑 같다.
③ 최대정지마찰력은 블록의 개수(수직항력)에 비례해서 커졌다.
그림 5 응착설
원 리 : 마찰력은 운동을 방해하는 힘으로, 항상 운동의 반대방향으로 작용하며, 표면의 상태(요철)와 두 물질을 구성하는 분자들 간의 전자기력이 주원인이다. 속력과 거시적인 겉보기 접촉면과는 무관하고, 수직항력에만 비례한다. 마찰에 대한 대표적인 두 학설이 있는데 아래와 같다.
① 응착설 : 접촉면의 분자들의 전기적인 인력으로 인해 마찰이 생긴다는 학설로 실질적인 접촉면적에 비례한다.
② 요철설 : 접촉한 두 물체의 표면이 거칠어 요철 부분이 있으면 그림6처럼 요철 부분이 맞물려 운동을 방해하므로 마찰력이 생긴다. 그림6 요철설