마찰에 대해

[두 개 고체의 급속한 마찰 - 거기에 불이 붙는다.] - 레오나르도 다 빈치
  인류가 처음으로 불을 인공적으로 일으키는 것을 알아냈을 때, 그들은 왜 불이 일어나는 지를 몰랐었습니다.　그 현상을 지금은, 고체와 고체가 접촉 해 발생하는 마찰열이 비벼진 물질의 발화점을 넘어섰을 때 발화 한다고 설명하고 있습니다.

  이 마찰열의 발생이란 도대체 어떠한 것일까요? 마찰열량의 계산은 아래의 식으로 나타낼 수가 있습니다.

Q = μ * W * ｖ / J (cal/초)
μ=동적 마찰계수, W=하중, ｖ=상대속도(cm/초), J=열의 일당량

  마찰열 발생의 메카니즘에 대해서는 8장의 윤활과 윤활제의 역할을 이해 하는데 있어서 중요한 문제가 되기 때문에 설명해 두지 않으면 않 됩니다.　이 식은 발생 열량에 관한 것으로, 이동시킨 물체의 딱딱함이나 표면 요철(엉성함)을 그 물건의 열전도로 나눈 것입니다.

  전기에 이용되는 줄의 법칙의　식 J=I2×R, E=I×R에서　j=E×I이 되고, I는μ×W(즉, 마찰력), E는V(속도)항에 대응 하는 것이라고 볼 수 있습니다.　

  게다가 마찰이 이루어진 판과 회전봉의 열전도율을 바꾸어 주면 발생 열량(Q)은 판이나 봉의 비열이나 열전도율에 의해 접촉부의 온도가 융점 이상으로 상승 해, 판이 발화 하게 됩니다.

  여기서, 한층 더 깊게 생각한 마찰열 발생의 메카니즘에 대해서는, 두 개의 문제를 고려해 둘 필요가 있습니다.  하나는 뉴턴의 냉각의 법칙, 다른 것은 표면에서의 요철입니다.  이 냉각의 법칙이란 판과 봉의 열확산으로 접촉 한 마찰면의 열이 없어지는 것에 관계 하고, 표면의 요철은 접촉 했던 부분만이 발열에 관계 한다고 하는 것입니다.

  마찰은, 이 두가지의 현상을 주로 취급한 학문으로 기체나 액체에 의한 냉각이나, 접촉 했던 부분이 접착하지 않게 미리 막을 만들어 두어 접촉면에서의 발열 생성 경감과 냉각을 위한 방법의 하나로서 윤활제가 있습니다.

  마찰의 문제는, 크게 나누어 마찰력이 필요한 경우와 마찰력을 저감하는 경우로 나눌 수 있습니다. 전자는 모래 위를 걷는 것보다 흙 위를 걷는 편이 훨씬 편하고, 자전거의 브레이크나 타이어, 혹은 분자 레벨에서는 전자 렌지(고주파에 의한 간섭)에 의한 수분자의 회전 마찰, 바이올린을 활로 당길 때는 어느 정도의 고체간의 접착을 필요로 합니다. 후자는, 이집트에서 만들어진 거대한 건축물 피라미드의 큰 돌은 채석장으로부터 건조하여 이동에 사막의 모래나 흙 위를 옮길 수 있었는지요.　우리는 자주 그 돌을 당기고 있는 그림을 봅니다만 돌 아래에 통나무를 넣어 이용 해 옮기고 있습니다. 또 자동차의 엔진 부분에서는, 피스톤 링이나 크랭크 샤프트의 대부분이 마찰 저감을 필요로 하고 있습니다.

  이와 같이, 우리가 생활 하는데 있어서 마찰이라고 하는 현상이 반드시 관계되고 있습니다.

마찰 영역에 도달해
  앞에서 말했습니다만, 표면 요철에 가세한 그 요철이 어느 정도 접근하고 있을까에 대한 것도 중요한 문제가 됩니다. 발열의 원 점은 서로의 면이 서로 부딪친 산끼리의 접촉에 있고, 그 접촉도 빈도 분포로 나누는 것이 필요합니다.

  1.  전혀 부딪친 산이 나타나지 않는 경우
  2.  전혀 부딪친 산이 나타나지 않는 경우
  3.  꽤 서로 많이 부딪친 산이 존재 한 경우

  이러한 빈틈이나 산의 부딪친 상태는 하중, 속도, 점도, 표면엉성함 등에 따라 변화 하는 것입니다.

금속에 대해 - [신선 가공의 마찰학 : p.5 ~ p.10 참조]

  금속은 금속 고유의 색을 가지고, 전기와 열을 잘 전달하고, 고체 상태에서는 전성이나 연성이 풍부한 물질이라고 정의되고 있습니다. 그러므로 이 성질을 최대한으로 살리기 위해서는, 금속의 성질을 모르면 되지 않습니다. 예를 들어, 조건에 따라서는 그 물질의 한계치에 이르러 목적하는 물건을 만들 수가 없습니다. 또 금속을 가공 한 경우, 마찰면의 일부에서 발생 했던 열(마찰열)이 그 고유의 융점에 이르러 융착해 버립니다. 그 경우, 가공한 금속의 마찰에서의 온도를 효과적인 방법을 제거하면 좋고, 게다가 고체간 접촉하지 않게 분리 역할을 하는 것(윤활제)이 개재 하면 더욱더 좋게 됩니다.

  즉, 환경이나 조건을 정돈해 주는 것에 의해, 능숙하게 목적하는 것을 만들 수가 있습니다 만, 이것들을 하기 위해서는 모든 물질의 근본의 문제가 그 원인이 무엇에 기인 하는 것일까를 거슬러 올라가 알 필요가 있습니다.  (여기에서는 현대의 양자 역학적인 원자론의 복잡함을 분석하기 때문에, 고전적인 생각으로 설명합니다) 그 결합은, 다음과 같이 분류 되고 있습니다.

  *전자가 관여한 결합
    이온 결합
     ①전자가 이동해 +/- 전하를 가진 원자간의 인력에 의해 결합한다.(ex. 식염)
     ②전자의 과부족을 서로 같은 종류가 결합해, 전자가 고정된다.(ex. 다이아몬드)
     ③전자의 존재가 가스상에 퍼져, 2개의 원자 이온간을 자유롭게 이동한다.

  *전자의 교환을 실시하지 않는 결합
    환델워르스 결합
     전자가  채워져 원자핵의 인력에 의해 결합하고 있다.

▶금속 결합의 상세

  금속중의 전자의 궤도는 원자핵에 배치되었다가 다수에 분포 했다가 전자가 고무공과 같은 삼차원적 궤적을 취한 운동을 하여, 전자구름(바다)에 비유되어 원자핵의 인력권내에서 돌아다닐 수가 있습니다.
  그리고, 표면은 전자가 배어 나온 상태로 되어 있다. 금속은, 이 전자운의 공의 모임(결정) 으로 이루어져 있습니다. 비금속은, 원자핵에 강하게 끌어당길 수 있기 때문에, 전자는 구속된 상태로 안정적인 성질을 가지는데 비해, 금속은 많은 전자가 원자핵의 인력장에 지배 되어 있어 전자 궤도는 복잡함을 늘려 원자핵의 인력장이 약해져, 이 가스장의 전자가 원자 사이를 메우고 있습니다. 즉 전자가 자유롭게 운동 할 수 있는 상태가 되어, 비금속에는 없는 자유전자를 만들어 내게 됩니다.

  알기 쉽게 말한다면 비금속은 전자가 스카스카의 상태인데 비해, 금속은 경계가 채 워진 상태로 있는 것이라 말할 수 있어, 외부로부터 있는 에너지를 주었을 때, 그 자유전자의 이동에 의해 이 전기전도나 열전도현상을 나타낼 수가 있습니다.
  전기양성은, 전자 운동의 난이도로서 정성적인 척도가 됩니다. (양성도가 높을 정도, 전자를 내기 쉽다.)
  또 외관적으로는, 원자간에 있는 전자의 구름(바다)과 자유전자가 활발하게 움직이고 있으므로, 빛을 차단해 불투명이고, 반대로 빛을 반사하는 현상도 이것으로 설명됩니다.　금속을 가공 할 수 있다고 하는 것이나, 전기나 열을 이끌거나, 윤활제와 차이를 갖는다고 하는 성질에 대해서는, 다음의 2개로 나누고 생각할 필요가 있습니다.

   ①물리적 성질(화학적)
  금속은, 가스장의 전자구름끼리로 결합된 결정 구조로, 전자는 원자간을 자유롭게 움직일 수가 있는 물질입니다. 전기가 흐르기 쉬움이나, 열의 이동, 금속 표면과 기체나 액체(윤활제)가 흡착하거나 반응하는 현상은, 이 자유전자(표면 에너지에 관계한다)에 의한 것입니다.　원소의 종류에 의해 이러한 강약이 변화합니다만, 원자핵에 파악된 전자의 구속성에 관여하는 에너지를 하나의 띠(brillian대)로 나타낸 핵이 가지는 인력권내에 있어, 그 띠는( 내각전자층) 핵측을 원자가 전자띠, 구속성이 약해지는 대역을 전도띠와 2층으로 나눌 수 있습니다.
  이 2층은 원소의 종류에 따라서 달라, 전도도나 열전도를 바꾸는 원인이 되고 있습니다.

  한편, 백금이나 금은 언제까지나 금속색을 바꾸는 것이 없습니다만, 철이나 동은 공기에 접하면 산소와 반응해 변해 버립니다.　이 금속 표면의 반응성에 대해서는, 후술 하는 윤활제에도 영향을 주어 가공의 난이도와 관계가 있기 때문에 중요한 문제로서 취급할 필요가 있습니다.

  가공하기 쉬운 금속이라는 것은, 윤활제와 반응해 쉽게 표면에 전위선이 나타나고 있는 성질의 것으로, 가공 하기 어려운 금속이라는 것은, 윤활제와 반응 하기 어렵고, 전위도 빠른 시간내에 가득 차 버리는 성질의 것이라고 말할 수 있습니다.　특례로서 보통으로 얻을 수 있는 니켈(Ni)과 압연하여 좀더 격자결함을 만든 재료는, 후자 쪽이 102~103배의 반응속도 변화를 보여지는 금속도 있습니다.

   ②기계적 성질
  금속은, 펴거나 접어 구부리거나 할 수가 있는 물질입니다만, 그 원인은 도대체 어디에서 오는 것일까요. 이 현상은 물질적 성질로 설명한 전자의 자유도와 관계하고 있습니다. 식염이나 다이아몬드등은, 원자핵에 전자가 강하게 끌어 붙일 수 있어, 안정된 전자 운동하에서 결정체가 만들어지므로, 원자가 규칙적으로 올바르게 배열해 만들어지고 있습니다만, 금속은 전자가 복잡하게 운동하고 있는 상태로 결합하고 있기 때문에, 결정 구조로서 형태가 약간은 규칙성이 흐트러져 버립니다.　이것이 금속을 변형 시키는 원인이 되고 있어, 이 흐트러져 결정화한 부분을 격자 결함이라고 불러, 결정의 미끄럼을 발생 시키는 근원이 됩니다.

  그리고 격자 결함을 결정이 미끄러진(변형) 부분을 전위(선)라고 부르고 있습니다. 이 전위는 결정간을 달려, 차례차례로 전반하고 갈 수가 있어 이윽고 그물코와 같이 결정 내부에 생성해 전위망을 만들어내게 됩니다. 그러나 이 전위망의 생성에도 한계가 있습니다. 여기서 하나의 큰 분파가 나옵니다.

  몇 안 되는 전위선으로 부터 시작되어, 더 이상 전위선을 만들 수 없게 되었을 때, 금속은 갑자기 성질을 바꾸어 버립니다. 성질을 바꾸기 전의 영역을 탄성변형영역이라고 해, 다소의 변형에도 대항해 원래의 형태로 돌아올 수가 있습니다만, 전위선으로 가득 찬 결정체는 원래로 돌아올 수 없게 되어 버립니다. 이러한 영역을 소성변형 영역으로 정의 됩니다.

  이와 같이 금속은, 전자의 자유도와 전위선과의 존재에 의해 성질이 크게 다릅니다.

  여기에서는 순수한 이상 상태에서의 이야기였지만, 실제로는 많은 불순물이나 여러가지 결함이 존재하기 때문에 보다 복잡한 시스템을 보게됩니다.

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