교탁은 살짝 밀면 움직이지 않습니다. 비슷한 힘으로 교탁 위의 지우개를 밀면 지우개는 움직입니다. 똑같이 힘을 주었는데 교탁이 움직이지 못한 것은 마찰력 때문입니다. 마찰력이란 접촉하고 있는 두 개의 물체가 서로 미끄러지려 할 때 미끄럼을 방해하는 힘을 말합니다. 종이 위의 글씨를 지우개로 비벼서 지울 때에도 마찰력이 작용합니다. 반면 지우개로 얼음을 문지를 때는 마찰력이 아주 작기 때문에 힘이 거의 필요하지 않습니다. 마찰력은 우리가 살아가는 데 많은 도움을 줍니다. 믿을 수 없다면, 마찰력이 전혀 없는 공간에서의 삶을 상상해 봅시다. 걸을 수도 없고, 컵을 들어 올릴 수도 없고, 가방을 어깨에 멜 수도 없고, 문손잡이를 돌릴 수도 없고, 대부분의 운동 경기도 할 수 없습니다. 자동차와 기차도 움직일 수 없습니다. 너무나 당연하게 보이는 우리 주변의 현상들이 마찰력이 존재하지 않으면 불가능해집니다. 더구나 마찰력을 크게 하기 위해 특별한 노력을 기울여야 할 때도 있습니다. 암벽 등반가의 신발이나 자동차의 타이어는 생명과 밀접한 관련이 있으므로 마찰력이 큰 재질을 골라서 제작합니다.
마찰력이 없어야 좋은 경우도 있습니다. 모터의 축과 자동차 바퀴의 축은 이들을 고정시키는 틀에 얹혀있는데, 이들 사이에 작용하는 마찰력은 작아야 하므로 베어링 같은 장치를 사용합니다. 마찬가지로 고급 인라인 스케이트일수록 바퀴 축의 마찰력을 줄이기 위해 좋은 베어링을 사용합니다. 요요는 마찰을 줄여서 새로운 기술을 사용할 수 있도록 변형되었습니다. 옛날의 요요는 실시 축에 고정되어 있었는데, 최근에는 베어링을 사용하여 실이 축과 헛도는 잠자는 상태를 오래 유지하면서 다양한 기술을 구사할 수 있도록 발전하였습니다. 스키 선수들은 크지 않은 마찰력을 더욱 줄이기 위해 스키 바닥 면에 왁스를 바르고 매끄럽게 다듬습니다. 기온에 따라 마찰력을 가장 많이 줄일 수 있는 왁스의 종류와 배합 방식은 다른 팀에게는 극비라고 합니다.
사실 마찰력은 매우 복잡한 현상이며, 원인을 설명하는 모델도 매우 많습니다. 그중 하나를 소개하면 다음과 같습니다. 두 개의 면을 아주 작은 스케일로 쳐다보면 울퉁불퉁하므로 한 면을 미끄러뜨리기 위해서는 일정 크기 이상의 힘이 필요합니다. 필요한 힘이 가해져서 일단 물체가 미끄러지면 울퉁불퉁한 곳들이 서로 부딪히면서 다른 면을 때리기도 하고, 쪼개져서 떨어지기도 합니다. 이런 현상이 물체가 미끄러지는 것을 방해하는 것입니다.
물체가 미끄러지지 않을 때, 마찰력의 크기는 마술같이 변합니다. 교탁을 살짝 밀면 작용하는 마찰력의 크기는 작지만 세게 밀면 커집니다. 미는 힘을 갑자기 없애면 마찰력도 갑자기 없어집니다. 물체가 미끄러지지 않는 동안 물체에 작용하는 마찰력은 외력과 크기가 같고 방향은 반대입니다. 따라서 물체에 작용하는 알짜 힘은 0이 되고, 물체는 미끄러지지 못합니다. 이러한 마찰력을 정지 마찰력이라고 부릅니다. 책상 위에 놓여 있는 질량 1kg인 물체를 3N의 힘으로 밀었을 때 물체가 움직이지 않았다면, 그 물체에는 내가 민 방향과 반대 방향의 마찰력이 작용하고 있는 것입니다. 이때의 마찰력의 크기를 계산해 보겠습니다.
질량 1kg인 물체에는 항상 중력이 작용하며, 중력 가속도의 값을 10이라고 놓으면, 그 중력의 크기는 10N입니다. 이 물체는 수직 방향으로 움직이지 않으므로 수직 방향의 알짜 힘은 0입니다. 따라서 수직 항력의 크기도 10N입니다. 물체는 수평 방향으로도 움직이지 않으므로 수직 방향의 알짜 힘은 0이 되어야 합니다. 내가 외부에서 작용하는 외력의 크기가 3N이므로 정지 마찰력의 크기도 3N입니다. 만약 이 물체를 4N의 힘으로 밀었는데도 움직이지 않았다면, 그 물체에는 크기가 4N인 정지 마찰력이 작용하고 있는 것입니다. 정지 마찰력은 무한히 커질 수 없으며, 마찰력이 최대로 버틸 수 있는 크기를 최대 정지 마찰력이라고 합니다. 그 크기는 물체와 바닥의 접촉면의 성질에 따라 달라집니다.
마찰이 있는 수평면 위에 놓인 물체를 밀 때, 최대 정지 마찰력은 접촉면에 대한 수직 항력에 비례합니다. 이를 확인하려면 최대 정지 마찰력을 구해야 합니다. 물체에 용수철을 연결하고 용수철의 한쪽을 당겨 외력을 점점 증가시키다가 물체가 움직이는 순간에 용수철의 길이 변화를 확인하면 최대 정지 마찰력을 구할 수 있습니다. 두 물체의 접촉면이 모두 단단하고 편평한 경우, 실험을 통해 구한 최대 정지 마찰력은 접촉면에 대한 수직 항력에만 비례하고 접촉 면적과는 무관합니다. 수평면 상에서 수직 항력은 물체에 작용하는 중력과 같으므로, 물체가 받는 최대 정지 마찰력은 중력의 크기에 비례합니다.
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