20000424　摩擦

　日常生活にかかわる余分な摩擦、例えばエンジンの摩擦とかビデオの回転ヘッドの摩擦などを全てなくすことが出来ればGDP$^{*1}$の数％にあたる経費が節約できるという。それぐらい摩擦は我々の生活に物理的な作用だけではなく経済的にも影響を及ぼしている。

　固体と固体との摩擦力$^{*2}$は摩擦面に働く垂直な力に比例して大きくなる。物体が動き出す直前の摩擦力を式で書くとF=μNである。μは摩擦係数$^{*3}$と呼ばれる数、Nは摩擦面に垂直に働く力で垂直抗力とも呼ばれる。摩擦力は接触面の面積には関係なくそこに働く垂直な力だけで決まる。
　摩擦する面積が増えると何となく摩擦が増える気がするが、垂直な力が同じならば摩擦力は同じである。接触する部分が増えるが、単位面積当たりの垂直に働く力はその分減るので接触による摩擦力は変化しない。
　ところで摩擦力を表す式は経験から求められた式でF=ma$^{*4}$のように定義された式ではない。

　固体と固体との摩擦を細かく見ると実際に互いに接触している面積は見かけの接触面積よりもずっと小さい。どんなに平坦に磨いた面でも原子間力顕微鏡$^{*5}$で観察すれば凸凹している。この微小な凸凹が互いに接触しあって固体と固体とが接触しあっている。どんなに硬い物質でも凸凹の面積が小さいためそこにかかる圧力は非常に大きくなり、互いに潰れあってくっ付いて接触している。

　そこに接触面に平行な力をかけるとその潰れあって接触している微小な凸凹がそこで踏ん張るので摩擦力が発生する。平行な力をかけるのを止めると摩擦力はなくなる。

　更に平行な力を加えていくと、ついには微小な凸凹の接触が耐えきれなくなって物体が動き出す。しかし動けばまた新しい接触面が出来て微小な凸凹が新たに潰されくっ付き、そして耐えきれないので凸凹が離れる、というのを繰り返しているはずである。

　ここで不思議なのは止まっているときの摩擦係数即ち静摩擦係数$^{*6}$と動いているときの摩擦係数、動摩擦係数$^{*7}$とではどんな物質でも常に動摩擦係数の方が小さいということである。
　摩擦の原因が微小な凸凹の接触で同じなのに動き出すと摩擦係数が何故小さくなるのか。尤も動摩擦係数が静摩擦係数よりも大きかったら物体は滑らかに動くことが出来ないだろう。

　一体、微小な世界$^{*8}$では何が起こっているのだろうか。

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*4　物理あるいは工学における＜重量と質量＞
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*6　A３ 静止摩擦係数
*7　主要な結果 3・・・動摩擦係数
*8　原子レベルの摩擦ナノトライボロジー