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  1. 2008.03.20
    마찰력 :: 타이어와 마찰력의 관계 (25)

 얼마전 병원에 있던 동생과 이야기를 하던중 논쟁이 생겼습니다. 휠체어를 타고 가는 것을 본 저희들은 타이어가 지면과 작용하는 마찰력에 대해 이야기를 하였습니다. 이야기를 하다보니 뭔가 석연치 않은 부분이 있더라구요. 결국 1시간여를 논쟁하였지만 결론이 나지 않은채 아리송하게 끝났습니다. 저희들의 논쟁거리는 다음과 같습니다.

 [따꼼v 생각]
 홈이 파져 있는 타이어든 홈이 없는 타이어든 지면에 작용하는 마찰력은 같다. 마찰력은 'F=μN (μ : 마찰계수, N : 수직 항력)'이므로 지면에 닿는 면적과 마찰력의 관계는 없다. 그러므로 재질이 같은 타이어라면 홈이 있고 없고에 따라 잘 달릴수 있고 없고의 차이는 없다.

 [동생 생각]
 홈이 파져 있는 타이어보다 홈이 없는 타이어가 지면에서 더 잘 달릴수 있다. 지면에 닿는 면적이 더 크기 때문에 마찰력이 더 많이 작용하므로 더 빨리 달릴수 있는 것이다. 예를 들면 레이싱 자동차의 경우에는 광폭에 홈이 없는 타이어를 쓰지 않는가? 만약 그렇지 않다면 왜 경주시 홈이 없는 타이어를 쓰겠는가?


 이 글을 읽고 계신 여러분은 어떻게 생각하십니까? 한번 곰곰히 생각해 보세요.


우선 간단하게 말씀드리겠습니다. 어느쪽 주장이 완벽하게 틀렸다고 말할수는 없습니다. 문제에 접근 하는 방식에 따라 답변이 조금 다를수도 있기 때문입니다.
 실제 생활에서 작용하는 마찰력은 이해하기가 굉장히 어려운 현상입니다. 실제 마찰력은 마찰면적과 관련없이 수직항력에만 비례한다고 하는데 이는 엄밀히 말하면 틀렸습니다. 마찰력은 굉장히 복잡해서 마찰력만 가지고도 큰 책하나를 채울수 있고, 또 산업적, 공학적으로도 굉장히 중요한 내용입니다.
 실제 마찰력은 두 물체의 재질 뿐만이 아니라, 수직항력, 면적, 모양, 표면의 가공상태, 표면의 습도 등에 따라 매우 큰 차이를 보입니다. 따라서 마찰력의 마찰계수와 수직항력의 변수만을 가지고 표현하는건 불가능합니다.
 하지만 마찰계수와 수직항력을 제외한 모든 변수가 일정하다고 가정하는 보통 건조한 두 표면간의 마찰은 마찰면적과 큰 관계가 없습니다. 그래서 고등학교에서는 마찰력이 수직항력에만 비례한다고 배우는 것입니다. 그래야만 고등학교 수준의 수학에서 계산이 가능하기 때문입니다. 이경우 실제 접촉면적의 개념으로 마찰면적과 관련이 없다는 것으로 생각하기도 합니다.


 여러곳을 다니며 배우고 생각해 보며 내린 저의 결론입니다.

 폭과 상관없이 마찰력은 일반 타이어와 같지만, 폭이 넓으면 압력이 낮아 온도가 덜 상승하여 고무로 이루어진 타이어가 덜 녹기 때문입니다. 고무가 녹는 현상이 줄면, 마찰 계수가 줄어드는 현상 역시 줄일 수가 있습니다. 그러한 이유로 레이싱에서는 홈이 없는 광폭타이어를 사용한다고 합니다.


 궁금해서 여기저기 돌아다니며 배우긴 했지만 정확하게 설명할수가 없네요. 생각을 하면 할수록 더 어려워집니다. 도대체 정확한 정의가 뭡니까?
 알려주세요~!!! ㅠ_ㅠ
자세히 아시는 분은 저에게 설명해 주시면 너무나 감사하겠습니다.^-^//

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  1. Favicon of https://fly32.net BlogIcon FLY32 2008.03.20 14:30 신고 address edit/delete reply

    컥.. 어려워요 @_@

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 13:23 신고 address edit/delete

      저도 헷갈리니... 이걸 어쩌죠.. ㅠ_ㅠ

      그래도 공대생으로써 과학의 위대함과 즐거움은 너무도 크답니다^-^;;
      모르는게 문제긴 하지만요ㅎㅎ

  2. Favicon of http://seevaa.net BlogIcon seevaa 2008.03.20 23:38 address edit/delete reply

    머리 아파요~ 패쓰~ ^^

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 13:21 신고 address edit/delete

      seevaa님!!
      이번에도 저에게 도움을 주시와요!
      ^-^;;;;;
      저의 궁금증을 해결해주세요~

  3. Favicon of http://startuu.net BlogIcon 꼬세 2008.03.21 04:04 address edit/delete reply

    어려운 문제네요.. 레이싱 차들의 바퀴의 홈이 없는것은 속도와는 별개의 문제로 코너링 측면에서 이득을 가져다 주기 때문이 아닐까요? 코너링 할때 홈이 있다면 저항을 많이 받을것 같은데 그때문이지 홈이 있고 없고의 속도차이는 없다고 생각되어집니다. 너무 어려운 문제 내신거 아닌가요??? 머리 아프네요..갑자기;;ㅋㅋㅋ''

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 13:21 신고 address edit/delete

      꼬세님 위에서 말씀드렸듯이 제 생각엔 레이싱자동차들이 홈이 없는 바퀴를 사용하는 이유는 바퀴면적당 받는 압력을 줄여 마모를 줄이기 위한것이 아닐까 싶습니다.
      물론 꼬세님의 말씀처럼 속도의 차이는 없다고 생각되구요.
      근데 정확하게 맞다라고 말을 못하겠어요.
      정말 알고싶어요 으앙~

  4. Favicon of https://astraydeviance.tistory.com BlogIcon Das° 2008.03.21 14:35 신고 address edit/delete reply

    좋은 지식 감사드려요~

  5. Favicon of https://astraydeviance.tistory.com BlogIcon Das° 2008.03.21 14:35 신고 address edit/delete reply

    좋은 지식 감사드려요~

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 13:18 신고 address edit/delete

      luxury Q.님의 댓글도 무한히 감사드립니다^_^;;
      하지만 정말 헷갈리다는것...ㅠ_ㅠ
      아쉬워요.

  6. Favicon of https://i-emptyroom.tistory.com BlogIcon 마요비뚜 2008.03.21 15:20 신고 address edit/delete reply

    훗...저도 머리아파서 패쓰~^^;;; 어려워욜~

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 13:11 신고 address edit/delete

      령주님도 생각해 봐요~
      따꼼의 두뇌트레이닝에 참여하시죠~^-^;;
      솔직히 말해선 제가 궁금해서요...

  7. 친동생 2008.03.22 07:51 address edit/delete reply

    ㅇ ㅏ,, 이거 고등학교때 배운거같은데..
    유동준선생님한티 타이어에 홈이 있으면 평소 맑은 날씨에는 속도 및 제동거리도 더 좋지만
    비오는날에는 수막현상때매 제동거리에 문제가 있어서 홈을 만들어 놓는다고 들은거같다 ㅋㅋㅋ

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.23 12:56 신고 address edit/delete

      성필아~
      마찰면적과는 관계가 없는거 아니야?-ㅁ-;;;
      경주용타이어는 타이어가 녹으면서 마찰계수가 바뀌어서 마찰력이 더 커진거 아닌가?
      이거 생각하면 생각할수록 헷갈려...

      교수한테 물어보고 나한테 전화좀 해라^-^;;;;;

  8. Favicon of http://blog.daum.net/qwsde12 BlogIcon 핑키 2008.03.30 16:12 address edit/delete reply

    흠..자동차에 대한 유용한 정보..잘 봤어여~

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2008.03.30 22:23 신고 address edit/delete

      자동차에 관련된것만은 아니죠..ㅎ
      과학은 생각하면 생각할수록 재미가 있는거 같아요.
      그래서 과를 전자전기과를 선택한것이기도 하구요.^-^;;

      근데 이해가 잘 안되는건 어쩔수 없는듯 해요..ㅎㅎ

  9. 흠... 2008.08.01 23:20 address edit/delete reply

    ㅎㅎㅎㅎㅎㅎ

    http://k.daum.net/qna/view.html?qid=3NJXi&q=마찰력

    • Favicon of http://ttacom.net BlogIcon 따꼼v 2008.08.04 23:40 address edit/delete

      참고 잘했습니다.
      흠님.^-^//
      나중에 학교에 복학하면 다시 알아봐야겠어요.
      정확하게..ㅋ

  10. 타이어 2009.05.12 16:36 address edit/delete reply

    https://www.youtube.com/watch?v=D7sjZ_XYeEQ

    일단 확실한건 자동차든 바이크든 bigger contact patch = more friction 등식은 성립합니다. 레이스를 많이 보시거나 직접 한두번이라도 뛰어 보시면 쉽게 알 수 있습니다. 그리고 온도가 덜 상승하여 마찰력이 높다는건 확실히 틀린 부분입니다. 레이스에선 최대한의 마찰력을 위해 실제 레이스 전에 웜업 주행을 하거나 타이어 워머를 사용합니다. 타이어는 적정 온도에 도달해서 적당히 녹았을때 최대한의 접지력이 발휘됩니다. (그리고 이 적정 온도는 생각보다 훨씬 높습니다. 공공 도로에서의 웬만한 과속 주행으론 ㅡ특히 사륜차의 경우ㅡ 타이어가 충분히 예열되지 못합니다)

    • Favicon of http://ttacom.net BlogIcon 따꼼v 2009.05.14 17:42 address edit/delete

      타이어님이 말씀하신것...ㅠ_ㅠ
      제 얘기랑 같은 이야기인것 같은데요?
      아닌가요?
      다시 한번 말씀해 주시겠어요?^^

  11. Favicon of http://blog.naver.com/wjddydduf BlogIcon 휴즈 2010.03.30 22:45 address edit/delete reply

    휴...궁금해서 열심히 찾아봤습니다
    흠...님의 링크를보고 마찰력은 접촉면의 면적과 무관하다...라는것에만 너무 신경쓰면 답이 나오지 않는다는걸 깨달았습니다
    구름 마찰력이란게 있더라구요
    바퀴가 있는 경우 바퀴의 찌그러짐과 원상 복원이 매 순간 일어나고 이 반복되는 과정에서 에너지 손실이 있으므로 속도가 줄게 된다
    라는건데 이것때문에 공기압도 팽팽하게 넣지 않고 조금은 빼는게 속도가 잘나온다네요
    고로 타이어가 크고 접촉면이 넓어야 찌그러짐-복원 이 많이 일어나 마찰력이 커진다...라고 결론내려 봤습니다
    태클은 쪽지로 ㄱㄱ

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2010.04.26 21:08 신고 address edit/delete

      휴즈님의 글을 보니 결과적으로...
      타이어가 찌그러짐과 복원의 과정에서 일어나는 에너지 손실로 마찰력이 커진다는 이야기인듯 싶네요..
      -_-;;
      아 이해가 안가는군요..ㅎ
      어렵다..ㅋ
      전자전기공학을 하는 저에게는 별로 필요없는 지식이지만 왠지 궁금하군요..ㅎㅎㅎ

  12. Favicon of http://blog.naver.com/wjddydduf BlogIcon 휴즈 2010.03.30 22:55 address edit/delete reply

    그보다 이거 2008년 글인거 같은데 나 멍미 ㅋ;;

    • Favicon of https://www.ttacom.net BlogIcon TTacom.NET 2010.04.26 21:08 신고 address edit/delete

      아직까지도 결론이 안나있다는..ㅋㅋㅋㅋ

  13. 붉은 2010.07.12 22:22 address edit/delete reply

    마찰 마모를 공부하고 있는 학생입니다. 저도 잘 모르지만. 강체의 경우 면적과 마찰력은 무관하지만, 연체의 경우 마찰력은 면적에 관련이 있습니다. 이것은 마찰을 요철에 의해 발생하는것으로 보느냐, 혹은 두 물질의 분자들간의 상호작용하는 접합력으로 보느냐의 차이로 알고 있습니다. 분자들간의 상호작용으로 본다면 면적에 무관할수가 없는것이겠지요. 연체의 경우 요철에 의한 작용은 상대적으로 작을테구요.. 암튼 횡설 수설했지만..
    결론은 그래서 경주용차에서는 홈이 없는 타이어를 쓰지요.. 일반 타이어보다 두께도 훨씬 두껍구요..
    그러나 단점은 윗분이 말씀하신것 처럼 비가 올때.. 수막현상 떄문에 빙판위를 질주하는 꼴이 된다는거겠구요..

    일반타이어는 홈이 있어서.. 그 사이로 물을 빼주기 때문에 수막현상을 방지하는것으로 알고 있습니다.

    질문을 잘 이해 못해서 맞는 답변을 했는지 잘 모르겠네요..
    저도 아직 배우는 입장이라서.. 더 자세한건 검색해 보시면 될것 같습니다.

  14. 초코파이 2011.11.13 20:51 address edit/delete reply

    가정이 명확하지 않아 생긴 논쟁인것 같습니다.

    우리가 기본적으로 알고있는 이론으로 삼단논법을 펴보면 아래와 같습니다.
    -마찰력은 수직항력에 비례한다,
    -타이어에 홈이 파여있으면 면적이 줄어들어 단위면적당 수직항력이 커진다,
    -따라서 접지면적이 넓은 슬릭타이어가 접지면적이 좁은 일반 타이어보다 접지력이 떨어진다(?????)

    뭔가 이상하지 않으신가요?
    마찰력 공식은 마찰력=마찰계수X수직항력 입니다.
    위에서 가정된 내용은 동일한 폭과 동일한 재질을 가진 타이어를 가지고 비교한 결과입니다.

    하지만 일반타이어와 경주용 슬릭타이어의 재질은 하늘과 땅차이입니다.
    일반타이어는 경주용타이어보다 안닳는 재질로 되어있지요. 즉 마찰계수가 작습니다.
    경주용 타이어를 보더라도 레인타이어와 슬릭타이어는 같은 재질이 아닙니다. 슬릭타이어가 훨씬 부드럽죠. 마찰계수가 큽니다.
    따라서 일반타이어와 슬릭타이어는 사실 타이어 홈의 차이가 중요한게 아닙니다.

    좀 다른 이야기지만, 일반타이어와 광폭타이어의 큰 차이가 또 하나 있습니다.
    바로 편평비 라는 것인데요..
    편평비는 타이어를 단면으로 잘랐을 때 타이어 폭 대비 타이어 높이의 비율입니다.
    일반적으로 245/45/R19라는 타이어 규격을 보면, 245mm폭을 가지고, 245mm의 45%(약 110mm)의 높이를 가진 19인치 타이어가 되겠습니다.
    여기서 편평비는 45라는 숫자가 됩니다.
    타이어 높이는 승차감 및 코너링성능과 관계가 있는데요..
    타이어 안에는 공기가 들어있는 것을 아실겁니다.
    일반타이어는 보통 60% 이상의 편평비를 가지고 있으므로 광폭타이어에 비해 높이가 높습니다.
    따라서 공기가 수직방향으로 많이 차있기 때문에 노면에서오는 충격을 많이 흡수해줍니다.

    광폭타이어는 타이어 높이가 낮으므로 충격흡수가 잘 안되겠지요.
    하지만 코너링시에는 이야기가 다릅니다.
    코너링시에는 차량이 횡력을 받으므로, 타이어도 횡력을 받습니다.
    그러면 타이어의 공기주머니는 찌그러지게 되는데요..
    높게 세워져있는 직사각형과 넓게 퍼져있는 직사각형이 같은 횡력을 받으면 높게 세워져있는 직사각형이 더 많이 변형됩니다.
    이 변형이 타이어 압력의 변화를 가져와 접지력을 잃게합니다.





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