摩擦

摩擦とは、固体表面、流体層、および互いに滑り合う材料要素の相対運動に抵抗する力です。 ^{[2] [3]}摩擦の種類には、乾式、流体、潤滑、皮膚、内部などがありますが、これは完全なリストではありません。関連するプロセスの研究はトライボロジーと呼ばれ、2000年以上の歴史があります。^[4]

摩擦は劇的な結果をもたらすことがあります。例えば、木片をこすり合わせることで生じる摩擦を利用して火を起こすことがその例です。多くの種類の摩擦のもう1つの重要な結果は摩耗であり、これは性能の低下や部品の損傷につながる可能性があります。摩擦によるエネルギー損失は、世界の総エネルギー消費量の約20%を占めることが知られています。^{[5] [6]}

後で簡単に説明するように、摩擦による減速力には、凹凸の変形から電荷の生成や局所構造の変化まで、さまざまな要因が関係しています。摩擦自体は基本的な力ではなく、非保存力です。摩擦に抗して行われる仕事は経路に依存します。摩擦がある場合、一部の機械的エネルギーは熱に変換されるだけでなく、構造変化やその他の種類の散逸の自由エネルギーにも変換されるため、機械的エネルギーは保存されません。関与する相互作用の複雑さにより、第一原理から摩擦を計算することは困難であり、多くの場合、分析と理論の構築には経験的方法を使用する方が簡単です。^{[3] [2]}

摩擦にはいくつかの種類があります。

• 乾き摩擦は、接触している 2 つの固体表面の相対的な横方向の動きに対抗する力です。乾き摩擦は、動かない表面間の静摩擦(「スティクション」) と動く表面間の動摩擦に分けられます。原子摩擦または分子摩擦を除き、乾き摩擦は一般に、凹凸と呼ばれる表面の特徴の相互作用から生じます(図を参照)。
• 流体摩擦は、互いに相対的に動いている粘性流体の層間の摩擦を表します。 ^{[7] [8]}
• 潤滑摩擦は、潤滑流体が2つの固体表面を分離する流体摩擦の一例です。 ^{[9] [10] [11]}
• 表面摩擦は、物体の表面を横切る流体の動きに抵抗する力である抗力の要素です。
• 内部摩擦とは、固体が変形する際にその固体を構成する要素間の動きに抵抗する力である。^{[8] [4]}

アリストテレス、ウィトルウィウス、大プリニウスなど多くの古代の著述家は、摩擦の原因と軽減に興味を持っていました。^[12]彼らは静止摩擦と動摩擦の違いを認識しており、テミスティオスは西暦350年に「動いている物体の動きを加速させるのは、静止している物体を動かすよりも簡単である」と述べています。^{[12] [13] [14] [15]}

滑り摩擦の古典的な法則は、トライボロジー の先駆者であるレオナルド・ダ・ヴィンチによって1493年に発見されましたが、彼のノートに記録された法則は公表されず、未知のままでした。^{[16] [17] [18] [19] [20] [21]}これらの法則は、 1699年にギヨーム・アモントンによって再発見され^[22]、アモントンの乾燥摩擦の3法則として知られるようになりました。アモントンは、摩擦の性質を、表面の凹凸と、表面を押し付ける重りを持ち上げるために必要な力の観点から提示しました。この見解は、ベルナール・フォレスト・ド・ベリドール^[23]とレオンハルト・オイラー(1750) によってさらに詳しく説明され、彼らは傾斜面上の重りの安息角を導き、静摩擦と動摩擦を初めて区別しました。^[24]ジョン・テオフィラス・デサグリエ(1734) は、摩擦における付着の役割を初めて認識しました。^[25]微視的な力は表面をくっつけます。彼は、摩擦が接着面を引き裂くのに必要な力であると提唱した。

摩擦についての理解は、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロン（1785）によってさらに発展した。^[22]クーロンは、接触する材料の性質とその表面コーティング、表面積の広さ、通常の圧力（または荷重）、および表面が接触している時間の長さ（静止時間）という、摩擦に及ぼす4つの主な要因の影響を調査した。 ^[16]クーロンはさらに、摩擦の性質について提案されていたさまざまな説明のどちらを採用するかを決めるために、滑り速度、温度、湿度の影響を考慮した。静摩擦と動摩擦の区別はクーロンの摩擦法則（下記参照）でなされているが、この区別はヨハン・アンドレアス・フォン・ゼグナーによって1758年にすでになされていた。 ^[16] 静止時間の影響は、ピーテル・ファン・ムッシェンブローク（1762）によって、繊維が絡み合う繊維質材料の表面を考察することで説明された。繊維質材料の表面では、摩擦が増加する有限の時間がかかる。

ジョン・レスリー（1766–1832）は、アモントンとクーロンの見解の弱点を指摘した。もし重りが連続する凹凸の傾斜面を上って引っ張られることで摩擦が生じるのであれば、反対の斜面を下ることでなぜバランスが取れないのか？レスリーは、デザグリエが提唱した粘着力の役割についても同様に懐疑的だった。粘着力は、全体として動きを加速させる傾向と減速させる傾向が同じであるはずだからだ。^[16]レスリーの見解では、摩擦は凹凸を平らにしたり押し下げたりする時間依存のプロセスとして捉えるべきであり、これにより以前は空洞だった場所に新しい障害物が形成される。

エネルギー保存の法則と熱力学第一法則の長い発展の過程で、摩擦は機械的仕事を熱に変換する方法として認識されました。1798年、ベンジャミン・トンプソンは大砲の掘削実験について報告しました。^[26]

アーサー・ジュール・モラン(1833) は、滑り摩擦と転がり摩擦の概念を開発しました。

1842年、ジュリアス・ロバート・メイヤーは製紙用パルプの摩擦熱を発生させ、温度上昇を測定した。^{[27] 1845年、ジュールは「}熱の機械的当量」と題する論文を発表し、抵抗器を通過する電流の摩擦と、水槽内で回転する外輪の摩擦に基づいて、「熱単位を生成する」ために必要な機械的仕事量の数値を特定した。^[28]

オズボーン・レイノルズ（1866）は粘性流の方程式を導き出しました。これにより、今日の工学で一般的に使用されている摩擦（静的、動的、流体）の古典的な経験的モデルが完成しました。^[17] 1877年、 フリーミング・ジェンキンとJAユーイングは、静的摩擦と動的摩擦の連続性を調査しました。^[29]

1907年、GHブライアンは熱力学の基礎を研究した『熱力学：第一原理とその直接的な応用を主に扱う入門書』を出版した。ブライアンは、粗い表面上を走行する粗い物体の場合、走行者による機械的仕事が表面が受ける機械的仕事を上回ることを指摘した。失われた仕事は摩擦によって発生する熱によって説明される。^[30]

プランクは、1879年の論文、特に1926年に、摩擦による熱の発生を熱を定義する最も具体的な方法であり、不可逆的な熱力学的プロセスの代表的な例であると主張しました。^[31]

20 世紀の研究の焦点は、摩擦の背後にある物理的メカニズムを理解することでした。フランク・フィリップ・ボウデンとデビッド・テイバー(1950) は、微視的レベルでは、表面間の実際の接触面積は見かけの面積のごく一部であることを示しました。^{[18]凹凸によって生じるこの実際の接触面積は、圧力とともに増加します。}原子間力顕微鏡 の開発(1986 年頃) により、科学者は原子スケールで摩擦を研究できるようになり、^[17]そのスケールでは乾燥摩擦は表面間のせん断応力と接触面積の積であることが示されました。これら 2 つの発見は、アモントンの第 1 法則(以下)、つまり乾燥表面間の垂直抗力と静摩擦力の巨視的比例関係を説明しています。

滑り（動）摩擦の基本的な特性は 15 世紀から 18 世紀にかけて実験によって発見され、次の 3 つの経験法則として表現されました。

• アモントンの 第一法則: 摩擦力は加えられた荷重に正比例します。
• アモントンの第二法則: 摩擦力は見かけの接触面積とは無関係です。
• クーロンの摩擦の法則: 動摩擦は滑り速度とは無関係です。

乾式摩擦は、接触している 2 つの固体表面の相対的な横方向の動きを阻止します。乾式摩擦には、動かない表面間の「静的摩擦」(「スティクション」) と、動く表面間の「動摩擦」(滑り摩擦または動摩擦と呼ばれることもあります) の 2 つの状態があります。

クーロン摩擦は、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンにちなんで名付けられた、乾燥摩擦力を計算するために使用される近似モデルです。これは 次の モデルによって規定されます。$${\displaystyle F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },}$$

• ${\displaystyle F_{\mathrm {f} }}$各表面が他の表面に対して及ぼす摩擦力です。摩擦力は表面に対して平行で、正味に加えられる力とは反対の方向になります。
• ${\displaystyle \mu }$摩擦係数は接触する材料の経験的特性であり、
• ${\displaystyle F_{\mathrm {n} }}$各表面から他の表面に対して、表面に対して垂直（法線）に働く法線力です。

クーロン摩擦は0 から までの任意の値を取り、表面に対する摩擦力の方向は、摩擦がない場合に表面が経験する動きの方向と反対になります。したがって、静的なケースでは、摩擦力は、表面間の動きを防ぐために必要な値とまったく同じです。つまり、摩擦力は、そのような動きを引き起こす傾向のある正味の力とバランスをとります。この場合、実際の摩擦力の推定値を提供するのではなく、クーロン近似は、この力のしきい値を提供し、それを超えると動きが始まります。この最大力は牽引力として知られています。 ${\displaystyle F_{\mathrm {f} }}$${\displaystyle \mu F_{\mathrm {n} }}$

摩擦力は常に、2 つの表面間の動き (動摩擦の場合) または潜在的動き (静摩擦の場合) に反対する方向に作用します。たとえば、氷の上を滑るカーリングストーンは、運動力によって減速します。潜在的動きの例として、加速する車の駆動輪は前向きの摩擦力を受けます。そうでない場合、車輪は回転し、ゴムは舗装に沿って後方に滑ります。反対方向は車両の移動方向ではなく、タイヤと道路の間の (潜在的) 滑りの方向であることに注意してください。

法線力は、2 つの平行な面を圧縮する正味の力として定義され、その方向は面に対して垂直です。質量が水平面上にある単純なケースでは、法線力の唯一の成分は重力による力で、 です。この場合、平衡条件から、摩擦力の大きさは0、であることがわかります。実際、摩擦力は常に を満たし、滑りを開始するのに十分な急勾配の臨界傾斜角 ( で指定) でのみ等しくなります。 ${\displaystyle N=mg\,}$${\displaystyle F_{f}=0}$${\displaystyle F_{f}\leq \mu N}$${\displaystyle \tan ^{-1}\mu }$

摩擦係数は、表面粗さなど、接触する材料のさまざまな側面にのみ依存する経験的(実験的に測定された) 構造特性です。摩擦係数は、質量や体積の関数ではありません。たとえば、大きなアルミニウム ブロックの摩擦係数は、小さなアルミニウム ブロックと同じです。ただし、摩擦力自体の大きさは法線力に依存し、したがってブロックの質量に依存します。

状況によっては、法線力の計算に重力以外の力も含まれる場合があります。物体が水平面上にあり、滑らせるような外力が働いている場合、物体と表面の間の法線力は で、 はブロックの重さ、 は外力の下向きの成分です。滑る前は、この摩擦力は で、 は外力の水平方向の成分です。したがって、一般には となります。この摩擦​​力が値 に達した後にのみ、滑走が始まります。それまでは、摩擦は平衡を保つために必要なものなので、単なる反応として扱うことができます。 ${\displaystyle N}$${\displaystyle P}$${\displaystyle N=mg+P_{y}}$${\displaystyle mg}$${\displaystyle P_{y}}$${\displaystyle F_{f}=-P_{x}}$${\displaystyle P_{x}}$${\displaystyle F_{f}\leq \mu N}$${\displaystyle F_{f}=\mu N}$

物体が傾斜面などの傾いた表面上にある場合、重力による垂直力は よりも小さくなります。これは、重力の力のうち、平面の面に対して垂直になる力がより少なくなるためです。垂直力と摩擦力は、最終的には、通常は自由体図を介してベクトル解析によって決定されます。 ${\displaystyle mg}$

一般に、摩擦を伴う静力学の問題を解決するプロセスは、接触面を暫定的に動かないものとして扱い、それらの間の対応する接線反力を計算できるようにすることです。この摩擦​​反力が を満たす場合、暫定的な仮定は正しく、実際の摩擦力です。それ以外の場合は、摩擦力を に設定する必要があり、その結果生じる力の不均衡によって滑りに関連する加速度が決まります。 ${\displaystyle F_{f}\leq \mu N}$${\displaystyle F_{f}=\mu N}$

摩擦係数（COF）は、ギリシャ文字のμで表されることが多く、 2つの物体間の摩擦力と、滑り始めまたは滑り始めのときに物体同士を押し付ける力の比に等しい無次元の スカラー値です。摩擦係数は使用する材料によって異なります。たとえば、鋼鉄の上の氷の摩擦係数は低いですが、舗装道路上のゴムの摩擦係数は高いです。摩擦係数は、ほぼゼロから1を超える範囲です。類似の金属の2つの表面間の摩擦係数は、異なる金属の2つの表面間の摩擦係数よりも大きくなります。たとえば、真鍮は真鍮同士で動かすと摩擦係数が高くなりますが、鋼鉄やアルミニウム同士で動かすと摩擦係数は低くなります。^[32]

互いに静止している表面の場合、は静摩擦係数です。これは通常、動摩擦係数よりも大きくなります。接触している一対の表面によって示される静摩擦係数は、材料の変形特性と表面粗さの複合効果によって決まります。これらは両方とも、各バルク材料内の原子間の化学結合と、材料表面と吸着物質間の化学結合に起因します。表面のフラクタル性は、表面の凹凸のスケーリング挙動を記述するパラメータであり、静摩擦の大きさを決定する上で重要な役割を果たすことが知られています。^[1]${\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {s} }}$${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}$

相対運動している表面では、 は動摩擦係数です。クーロン摩擦は に等しく、各表面の摩擦力は、他の表面に対するその表面の運動と反対の方向に作用します。 ${\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {k} }}$${\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }}$${\displaystyle F_{\mathrm {f} }}$

アーサー・モーリンは摩擦係数という用語を導入し、その有用性を実証しました。^[16]摩擦係数は経験的な 測定値 であり、実験的に 測定する必要があり、計算で求めることはできません。^[33]粗い表面ほど実効値が高くなる傾向があります。静摩擦係数と動摩擦係数はどちらも接触する表面のペアに依存します。特定の表面のペアでは、静摩擦係数は通常、動摩擦係数よりも大きくなります。テフロン同士のように、2つの係数が等しいセットもあります。

乾燥した材料の組み合わせの摩擦係数の値は、ほとんどが 0.3 ～ 0.6 です。この範囲外の値になることはまれですが、たとえばテフロンでは 0.04 という低い係数になることがあります。値が 0 の場合は摩擦がまったくないことを意味し、これはわかりにくい特性です。他の表面と接触するゴムの摩擦係数は 1 ～ 2 になります。μ は常に 1 未満であると主張されることがありますが、これは正しくありません。ほとんどの関連用途ではμ < 1 ですが、1 を超える値は、物体を表面に沿って滑らせるために必要な力が、物体に対する表面の法線力よりも大きいことを意味しているだけです。たとえば、シリコンゴムやアクリルゴムでコーティングされた表面の摩擦係数は、1 よりも大幅に大きくなることがあります。

COF は「材料特性」であるとよく言われますが、「システム特性」として分類する方が適切です。真の材料特性 (導電率、誘電率、降伏強度など) とは異なり、任意の 2 つの材料の COF は、温度、速度、雰囲気などのシステム変数、および現在一般的に老化および脱老化時間と呼ばれているもの、ならびに材料間の界面の幾何学的特性、すなわち表面構造に依存します。^[1]たとえば、厚い銅板に対して滑る銅ピンの COF は、低速 (金属同士の滑走) では 0.6 ですが、高速では摩擦熱により銅表面が溶け始めると 0.2 未満になります。もちろん、後者の速度は COF を一意に決定するものではありません。摩擦熱が急速に除去されるようにピンの直径を大きくすると、温度が下がり、ピンは固体のままになり、COF は「低速」テストの COF まで上昇します。^[要出典]

著しく不均一な応力場を持つシステムでは、システムが滑る前に局所的な滑りが発生するため、マクロ的な静摩擦係数は適用される荷重、システムのサイズ、または形状に依存し、アモントンの法則はマクロ的には満たされません。^[34]

特定の条件下では、一部の材料は非常に低い摩擦係数を持ちます。一例として、（高秩序熱分解）グラファイトは摩擦係数が0.01未満になることがあります。^{[44]この超低摩擦状態は}超潤滑性 と呼ばれます。

静摩擦とは、互いに動いていない 2 つ以上の固体物体間の摩擦です。たとえば、静摩擦は、物体が傾斜面を滑り落ちるのを防ぎます。通常、μ _sと表記される静摩擦係数は、動摩擦係数よりも高くなります。静摩擦は、固体表面の複数の長さスケールにわたる表面粗さの特徴の結果として発生すると考えられています。これらの特徴は、凹凸と呼ばれ、ナノスケールの寸法まで存在し、結果として、真の固体対固体接触は、見かけの接触面積または公称接触面積のほんの一部を占める限られた数の点でのみ発生します。^[45]凹凸の変形から生じる適用荷重と真の接触面積の間の直線性は、典型的なアモントン・クーロン型摩擦に見られる静摩擦力と垂直力の間の直線性を生み出します。^[46]

物体が動くためには、加えられた力が静止摩擦力に打ち勝たなければなりません。滑りが始まる前の2つの表面間の最大摩擦力は、静止摩擦係数と法線力の積で表されます: 。滑りが発生していない場合、摩擦力はゼロから までの任意の値を取ります。1つの表面を他の表面上で滑らせようとする よりも小さい力には、同じ大きさで反対方向の摩擦力が働きます。 よりも大きい力は、静止摩擦力を克服し、滑りを引き起こします。滑りが発生した瞬間、静止摩擦は適用されなくなります。2つの表面間の摩擦は動摩擦と呼ばれます。ただし、真の静止摩擦がゼロの場合でも、見かけ上の静止摩擦が観察されることがあります。^[47]${\displaystyle F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}}$${\displaystyle F_{\text{max}}}$${\displaystyle F_{\text{max}}}$${\displaystyle F_{\text{max}}}$

静摩擦の例としては、車の車輪が地面を転がるときに滑らないようにする力があります。車輪は動いていますが、地面に接しているタイヤの部分は地面に対して静止しているため、動摩擦ではなく静摩擦です。滑ると、車輪の摩擦は動摩擦に変わります。アンチロック ブレーキ システムは、ロックされた車輪の回転を再開させて車が静摩擦を維持するという原理で動作します。

運動が差し迫っているときの静止摩擦の最大値は、限界摩擦と呼ばれることもありますが^[48]、 この用語は普遍的に使用されているわけではありません。^[7]

動摩擦は、動摩擦または滑り摩擦とも呼ばれ、2 つの物体が互いに動いて擦れ合うときに発生します (地面のソリのように)。動摩擦係数は通常μ _kと表され、通常、同じ材料の静摩擦係数よりも小さくなります。^{[49] [50]}ただし、リチャード ファインマンは「乾燥した金属では違いを示すのは非常に難しい」と述べています。^{[51]滑りが始まった後の 2 つの表面間の摩擦力は、動摩擦係数と法線力}の 積です。これが振動システムのクーロン減衰の原因です。 ${\displaystyle F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{n}}$

新しいモデルは、動摩擦が静摩擦よりも大きくなる可能性があることを示し始めています。^[52]他の多くの場合、例えばゴムと道路の摩擦では、粗さの影響が支配的です。^[52]表面粗さと接触面積は、表面積力が慣性力を支配するマイクロスケールおよびナノスケールの物体の動摩擦に影響します。^[53]

ナノスケールでの動摩擦の起源は、エネルギーモデルによって合理化できます。^[54]滑りの間、滑り接触の背面に新しい表面が形成され、その前面の既存の表面が消えます。すべての表面には熱力学的表面エネルギーが関与しているため、新しい表面を作成するために作業が費やされ、表面を除去する際にエネルギーが熱として放出されます。したがって、接触の背面を動かすには力が必要であり、前面で摩擦熱が放出されます。

特定の用途では、物体が滑り始める最大角度で静摩擦を定義する方が便利です。これは摩擦角または摩擦角と呼ばれます。次のように定義されます。 したがって、 は水平からの角度で、μ _{s は}物体間の静摩擦係数です。^{[55]この式は、摩擦角の経験的測定値から}μ _{s を}計算するためにも使用できます。 $${\displaystyle \tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }}$$$${\displaystyle \theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}}$$${\displaystyle \theta }$

原子同士を移動させるのに必要な力を決定することは、ナノマシンの設計における課題です。2008年に科学者は初めて、表面上で単一の原子を移動させ、必要な力を測定することができました。超高真空とほぼ零度（5K）の温度を使用して、改造された原子間力顕微鏡が使用され、銅と白金の表面上でコバルト原子と一酸化炭素分子が引きずられました。^[56]

クーロン近似は、次のような仮定に基づいています。表面が原子的に密接に接触しているのは、その全体の面積のごく一部だけであること、この接触面積は法線力に比例すること (飽和状態に達するまで、すべての面積が原子的に接触していること)、摩擦力は接触面積とは関係なく、加えられた法線力に比例すること。クーロン近似は、基本的に経験的な構成です。これは、極めて複雑な物理的相互作用のおおよその結果を説明する経験則です。この近似の長所は、その単純さと汎用性です。法線力と摩擦力の関係は厳密には線形ではありません (したがって、摩擦力は表面の接触面積から完全に独立しているわけではありません) が、クーロン近似は多くの物理システムの分析において摩擦を適切に表現します。

表面が結合されている場合、クーロン摩擦は近似値としては非常に不十分になります (たとえば、粘着テープは、法線力がまったくない場合や負の法線力がかかっている場合でも滑りを防止します)。この場合、摩擦力は接触面積に大きく依存する可能性があります。ドラッグ レース用のタイヤの中には、この理由から粘着性のあるものもあります。ただし、摩擦の背後にある基本的な物理学は複雑ですが、その関係は多くの用途で役立つほど正確です。

2012年現在、低荷重領域では摩擦係数が実質的に負になる^[update]可能性があることを実証した研究が1件ある。これは、法線力の減少が摩擦の増加につながることを意味する。これは、法線力の増加が摩擦の増加につながるという日常的な経験と矛盾している。^{[57]これは、2012年10月に}ネイチャー 誌に報告されたもので、グラフェンに吸着した酸素が存在するグラフェンシート上で原子間力顕微鏡の針を引っ張ったときに発生する摩擦に関するものであった。^[57]

摩擦の簡略化されたモデルであるにもかかわらず、クーロンモデルは、多体系や粒状材料などの多くの数値シミュレーションアプリケーションで有用である。最も単純な表現でさえ、多くの応用例で必要とされる固着と滑りの基本的な効果を包含しているが、クーロン摩擦と両側または片側接触を伴う機械システムを効率的に数値的に統合するためには、特定のアルゴリズムを設計する必要がある。 ^{[58] [59] [60] [61] [62]}クーロン摩擦では、いわゆるパンルヴェのパラドックスなどの非常に非線形な効果に遭遇することがある。^[63]

乾燥摩擦は、摩擦がない場合には安定した挙動を示す機械システムにおいて、いくつかのタイプの不安定性を引き起こす可能性がある。^[64] これらの不安定性は、滑り速度の増加に伴う摩擦力の減少、摩擦中の熱生成による材料の膨張（熱弾性不安定性）、または2つの弾性材料の滑りの純粋な動的効果（アダムス・マーティンズ不安定性）によって引き起こされる可能性がある。後者は、1995年にジョージ・G・アダムスとジョアン・アルメニオ・コレイア・マーティンズによって最初に滑らかな表面で発見され^{[65] [66]}、後に周期的な粗い表面で発見された。^[67]特に、摩擦関連の動的不安定性は、ブレーキの鳴き声やガラスのハープのような「歌」の原因であると考えられている。^{[68] [69]}これらの現象は、速度による摩擦係数の低下としてモデル化される固着と滑りを伴う。^[70]

実際に重要な例としては、バイオリン、チェロ、ハーディガーディ、二胡など の擦弦楽器の弦の自己振動があります。

単純な機械システムにおける乾燥摩擦とフラッター不安定性の関係が発見されました。^[71]詳細については、 Wayback Machineで2015-01-10にアーカイブされたムービーをご覧ください。

摩擦不安定性は、いわゆる自己潤滑材料の摩擦と摩耗の低減に利用されるその場で形成されたトライボフィルムなど、滑り界面での新しい自己組織化パターン（または「二次構造」）の形成につながる可能性がある。^[72]

流体摩擦は、互いに相対的に移動する流体層間で発生します。この内部の流れ抵抗は、粘度と呼ばれます。日常用語では、流体の粘度は「厚さ」として説明されます。したがって、水は「薄い」、つまり粘度が低く、蜂蜜は「濃い」、つまり粘度が高いです。流体の粘性が低いほど、変形や移動が容易になります。

実際の流体（超流体を除く）はすべて、せん断に対してある程度の抵抗があるため、粘性があります。指導や説明の目的では、非粘性流体またはせん断に対して抵抗がないため粘性がない理想流体の概念を使用すると便利です。

潤滑摩擦は、流体が 2 つの固体表面を分離する流体摩擦の一例です。潤滑とは、潤滑剤と呼ばれる物質を表面の間に介在させることにより、互いに近接して動く一方または両方の表面の摩耗を軽減するために使用される技術です。

ほとんどの場合、加えられた負荷は、表面間の潤滑流体の動きに対する摩擦粘性抵抗により流体内に発生する圧力によって支えられます。適切な潤滑により、機器は軽度の摩耗でスムーズに連続運転でき、ベアリングに過度のストレスや焼き付きが生じることはありません。潤滑が途切れると、金属やその他の部品が互いに擦れ合い、熱を発生し、損傷や故障を引き起こす可能性があります。

表面摩擦は、流体と物体の皮膚との相互作用から生じ、流体と接触する物体の表面積に直接関係します。表面摩擦は抗力方程式に従い、速度の 2 乗に比例して増加します。

表面摩擦は、物体の周囲の境界層における粘性抵抗によって発生します。表面摩擦を減らすには 2 つの方法があります。1 つ目は、移動体を翼型のように滑らかな流れができるように形作ることです。2 つ目は、移動体の長さと断面積を可能な限り小さくすることです。

内部摩擦とは、固体が変形する際にその固体を構成する要素間の動きに抵抗する力です。

固体の塑性変形は、物体の内部分子構造の不可逆的な変化です。この変化は、加えられた力または温度変化のいずれか（または両方）が原因である可能性があります。物体の形状の変化はひずみと呼ばれます。それを引き起こす力は応力と呼ばれます。

固体の弾性変形は、物体の内部分子構造の可逆的な変化です。応力は必ずしも永久的な変化を引き起こすわけではありません。変形が発生すると、内部の力が加えられた力に対抗します。加えられた応力がそれほど大きくない場合、これらの対抗する力は加えられた力に完全に抵抗し、物体が新しい平衡状態になり、力が除去されると元の形状に戻ることができます。これは弾性変形または弾性として知られています。

光圧の結果として、アインシュタイン^[73]は1909年に物質の動きに対抗する「放射摩擦」の存在を予言した。彼は「放射はプレートの両側に圧力をかける。プレートが静止している場合、両側に及ぼされる圧力の力は等しい。しかし、プレートが動いている場合、動きの途中で前方にある表面（前面）で反射される放射は、背面よりも多くなる。前面に及ぼされる後方に作用する圧力の力は、背面に作用する圧力の力よりも大きい。したがって、2つの力の結果として、プレートの動きに対抗し、プレートの速度とともに増加する力が残る。この結果を「放射摩擦」と簡単に呼ぶことにする。」と書いた。

転がり抵抗は、物体または表面の変形によって引き起こされる、車輪またはその他の円形物体の表面に沿った転がりに抵抗する力です。一般的に、転がり抵抗の力は動摩擦に関連する力よりも小さいです。^[74]転がり抵抗係数の一般的な値は0.001です。^[75] 転がり抵抗の最も一般的な例の1つは、道路上の自動車のタイヤの動きであり、その過程で副産物として熱と音が発生します。 ^[76]

ブレーキを装備した車輪は、通常、車両または回転機械を減速および停止させる目的で、大きな減速力を発生させることができます。ブレーキ摩擦は転がり摩擦とは異なり、転がり摩擦の摩擦係数は小さいのに対し、ブレーキ摩擦の摩擦係数はブレーキパッドの材料の選択によって大きくなるように設計されています。

2 つの材料をこすり合わせると、電子またはイオンの電荷移動が起こります。このために必要なエネルギーが摩擦に寄与します。さらに、滑ることで静電気の蓄積が起こり、可燃性のガスや蒸気が存在する場合は危険です。蓄積した静電気を放電すると、可燃性混合物の発火により爆発が発生する可能性があります。

ベルト摩擦は、片方の端が引っ張られたときに、プーリに巻き付けられたベルトに作用する力から観察される物理的特性です。ベルトの両端に作用する結果的な張力は、ベルト摩擦方程式によってモデル化できます。

実際には、ベルト摩擦方程式によって計算されたベルトまたはロープに作用する理論的な張力は、ベルトが支えられる最大張力と比較できます。これにより、このような装置の設計者は、滑らないようにベルトまたはロープを滑車に何回巻き付ける必要があるかを知ることができます。登山家やセーリングクルーは、基本的なタスクを実行する際に、ベルト摩擦に関する標準的な知識を発揮します。

ホイール、ボールベアリング、ローラーベアリング、エアクッション、その他のタイプの流体ベアリングなどのデバイスは、滑り摩擦をはるかに小さなタイプの転がり摩擦に変えることができます。

低摩擦ベアリングには、ナイロン、HDPE 、PTFEなどの熱可塑性材料が一般的に使用されています。これらの材料は、負荷が増加すると摩擦係数が低下するため、特に有用です。^[77]耐摩耗性を向上させるために、通常、高分子量グレードの材料が、高負荷ベアリングや重要なベアリングに指定されます。

摩擦を減らす一般的な方法は、油、水、グリースなどの潤滑剤を 2 つの表面の間に塗布することです。これにより、摩擦係数が大幅に低下することがよくあります。摩擦と潤滑の科学はトライボロジーと呼ばれます。潤滑剤技術とは、潤滑剤を科学の応用と組み合わせることであり、特に産業または商業目的に使用されます。

超潤滑性は、最近発見された効果で、グラファイトで観察されています。これは、2 つの滑り物体間の摩擦が大幅に減少し、ゼロレベルに近づくことです。それでも、ごくわずかな摩擦エネルギーが消費されます。

摩擦を克服するための潤滑剤は、必ずしも薄い乱流流体やグラファイトやタルクなどの粉末状の固体である必要はありません。音響潤滑では、実際に音を潤滑剤として使用します。

2 つの部品間の摩擦を減らす別の方法は、部品の 1 つにマイクロスケールの振動を重ねることです。これは、超音波支援切断で使用される正弦波振動や、ディザと呼ばれる振動ノイズです。

エネルギー保存の法則によれば、摩擦によってエネルギーが失われることはないが、関係するシステムでは失われる可能性がある。機械的エネルギーは熱に変換される。滑るホッケーのパックが静止するのは、摩擦によって運動エネルギーが熱に変換され、パックと氷の表面の内部エネルギーが上昇するためである。熱は急速に消散するため、アリストテレスを含む多くの初期の哲学者は、動いている物体は自然に静止すると誤って結論付けた。^[要出典]

物体が経路Cに沿って表面に沿って押されると、熱に変換されるエネルギーは、仕事の定義に従って 線積分で与えられる。

${\displaystyle E_{th}=\int _{C}\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} \ =\int _{C}\mu _{\mathrm {k} }\ \mathbf {F} _{\mathrm {n} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} ,}$

どこ

• ${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {fric} }}$摩擦力は
• ${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {n} }}$法線力の大きさに物体の運動に逆らう単位ベクトルを乗じて得られるベクトルである。
• ${\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }}$動摩擦係数は、場所によって変化する可能性があるため積分の中に含まれます（例えば、経路に沿って材料が変化するなど）。
• ${\displaystyle \mathbf {x} }$オブジェクトの位置です。

プロセス中の摩擦によるエネルギーの散逸は、熱力学的不可逆性の典型的な例である。^[31]

摩擦によって行われる仕事は、変形、摩耗、熱に変換され、接触面の特性（表面間の摩擦係数にさえも）に影響を及ぼす可能性があります。これは、研磨などで有益な場合があります。摩擦の仕事は、摩擦圧接のプロセスなどで材料を混合および結合するために使用されます。摩擦力による仕事が許容できないレベルに達すると、合わせた滑り面の過度の侵食または摩耗が発生します。相対運動している合わせ面の間に挟まれた硬い腐食粒子（フレッティング）は、摩擦力による摩耗を悪化させます。摩擦による仕事によって表面が摩耗すると、物体のフィット感と表面仕上げが低下し、正常に機能しなくなる可能性があります。^[78]たとえば、ベアリングの焼き付きや故障は、摩擦の仕事による過度の摩耗によって発生する可能性があります。

2つの表面の境界面の基準系では、表面間に変位が生じないため、静摩擦は仕事をしません。同じ基準系では、動摩擦は常に動きと反対の方向であり、 負の仕事をします。^[79]しかし、特定の基準系では摩擦が正の仕事をすることがあります。重い箱を敷物の上に置き、すぐに敷物を引っ張ると、これを確認できます。この場合、箱は敷物に対して後方に滑りますが、床が静止している基準系に対しては前方に移動します。したがって、箱と敷物の間の動摩擦により、箱が移動するのと同じ方向に箱が加速され、正の仕事が行われます。^[80]

接触している2つの粗い物体の間で滑りが起こる場合、行われた仕事の代数和はゼロとは異なり、2つの物体が得た熱量の代数和は摩擦によって失われた仕事量に等しく、得られた熱量の合計は正である。^{[81] [82]}自然な熱力学的プロセスでは、熱力学システムまたは作業物体の周囲にある作用素によって行われた仕事は、摩擦のために物体が受け取った仕事よりも大きくなります。熱力学的仕事は、温度とエントロピー以外の物体の状態変数（仕事のような変数と呼ばれることもあります）の変化によって測定されます。通常のマクロな物理変数であり、共役なペアで発生する仕事のような変数の例には、圧力と体積、電場と電気分極があります。温度とエントロピーは、特に熱力学的に共役な状態変数のペアです。これらは、摩擦、熱伝導、放射などのメカニズムによって、原子レベルで微視的に影響を受ける可能性があります。周囲の作用素によって行われた仕事のうち、作業体の体積は変化せず、摩擦で消散する部分は、等容積仕事と呼ばれます。これは、作業体によって熱として受け取られ、場合によっては周囲の物体によって部分的に受け取られます。これは、作業体が受けた熱力学的仕事としてはカウントされません。

摩擦は多くの工学分野において重要な要素です。

• 自動車のブレーキは本質的に摩擦に依存しており、車両の運動エネルギーを熱に変換することで車両を減速させます。ちなみに、この大量の熱を安全に分散させることは、ブレーキシステムを設計する際の技術的な課題の1つです。ディスクブレーキは、回転するディスクに対して横方向に押し付けられたブレーキパッドとディスクとの間の摩擦に依存しています。ドラムブレーキでは、ブレーキシューまたはパッドが回転するシリンダー（ブレーキドラム）に対して外側に押し付けられ、摩擦が発生します。ブレーキディスクはドラムよりも効率的に冷却できるため、ディスクブレーキの方が停止性能が優れています。^[83]
• レール粘着力とは、列車の車輪がレールに及ぼすグリップ力を指します。摩擦接触力学を参照してください。
• 道路の滑りやすさは自動車にとって重要な設計と安全要素である^[84]
  • 分割摩擦は、車の両側の摩擦が変化することによって発生する特に危険な状態です。
  • 路面のテクスチャは、タイヤと走行面の相互作用に影響を与えます。

• 摩擦計は表面の摩擦を測定する機器です。
• プロフィログラフは舗装路面の粗さを測定するために使用される装置です。

• マッチ棒を加熱して点火するには摩擦が利用される（マッチ棒の先端とマッチ箱の擦れ面の間の摩擦）。^[85]
• 粘着パッドは、表面と物体間の摩擦係数を効果的に高めることで、物体が滑らかな表面から滑り落ちるのを防ぐために使用されます。

• 「摩擦」 ブリタニカ百科事典第11巻（第11版）。1911年。
• 摩擦係数 – 係数の表と多数のリンク
• 摩擦力の測定
• Physclips: ニューサウスウェールズ大学のアニメーションとビデオクリップによる力学
• 摩擦係数の値 – CRC 化学・物理ハンドブック
• 大気中および真空中におけるさまざまな材料ペアの摩擦係数。