[운동역학]마찰력의 종류와 특성/정지찰력, 운동마찰력, 경사면에서 마찰력

 

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정지 마찰력 (Static Friction)

정의: 두 물체가 접촉한 상태에서 상대적으로 정지해 있을 때 발생하는 마찰력.

특징:

물체가 움직이기 전까지 외부에서 가해지는 힘만큼의 마찰력이 작용.

최대 정지 마찰력에 도달하기 전까지 물체는 움직이지 않음.

공식

예시:

20N의 힘으로 박스를 밀었지만 움직이지 않을 경우, 정지 마찰력은 20N.

최대 정지 마찰력: 박스가 움직이기 직전에 작용하는 최대 마찰력.
예: 25N의 힘을 가했을 때 움직였다면 최대 정지 마찰력은 25N.

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운동 마찰력 (Kinetic Friction)

정의: 물체가 표면 위에서 미끄러질 때 발생하는 마찰력.

특징:

항상 일정하게 유지됨.

최대 정지 마찰력보다 작음.

공식

예시:

박스를 밀기 시작하면 20N의 일정한 힘으로 움직인다면, 운동 마찰력은 20N.

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정지 마찰력과 운동 마찰력 비교

 

 

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경사면에서의 마찰력

경사면에서는 중력과 마찰력이 함께 작용.

용어 정의

W: 물체의 무게 (Weight)

R: 수직항력 (Normal Force)

F: 마찰력 (Friction Force)

θ: 경사면의 각도 (Angle of Inclination)

힘의 성분 분해

 

특징

 

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마찰력 발생 매커니즘

 

정지 마찰력

접촉 표면의 분자들이 맞물린 상태.

움직이려면 이 맞물림을 끊어야 함.

 

운동 마찰력

움직임 중 표면의 분자들이 부딪히며 발생.

맞물림보다는 덜 강한 힘이 작용.

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마찰력의 특성

접촉면이 거칠수록 마찰력이 큼

예: 사포로 표면을 거칠게 만들면 마찰력이 커져 물체가 잘 붙음.

질량이 클수록 마찰력이 큼

질량이 크면 수직항력이 커지므로 마찰력도 증가.

접촉면의 면적과는 무관

직육면체 물체를 눕히거나 세워도 마찰력은 동일.

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스포츠 경기와 마찰력

탁구

라켓 면의 마찰계수가 크면 스핀 효과(드라이브, 커팅)가 강화.

축구화

스터드가 접지력을 높여 운동 중 미끄러짐 방지.

쇼트트랙/스키

직선 주행 시 마찰력을 낮게 유지해 속도를 증가.

코너링 시 엣지로 마찰력을 높여 안정성 확보.

 

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예제

1. 정지 마찰력과 운동 마찰력

2. 경사면에서의 힘 분석

 

경사면에서의 마찰력

경사면에서 작용하는 힘

경사면에서 마찰력은 물체의 무게(중력)와 경사면의 각도에 의해 결정됩니다. 경사면에서는 중력을 두 가지 성분으로 분해하여 계산합니다

경사각에 따른 마찰력의 변화

 

삼각함수를 이용한 계산

 

예제

 

 예시

스키:

경사면에서 마찰력을 줄여 속도를 내지만, 엣지로 마찰력을 만들어 제어.

자동차:

산길 주행 시 타이어와 지면 간 마찰력 유지가 중요.

미끄러운 도로에서는 마찰계수가 낮아지므로 경사면에서 차량이 미끄러질 위험.

운반 작업:

경사면에서 물체를 운반할 때 정지 마찰력을 초과하지 않도록 힘을 조절.

경사면에서 마찰력은 물체의 안정성과 운동을 모두 결정하는 중요한 요소입니다.