5월의 작은 선인장

[과학에세이] 미리 읽어볼 글 : 마찰력 1부 - 정리해보기

기타 등등의 상황에서의 마찰력
마찰력은 이 이외에도 여러 상황에서 나타날 수 있습니다. 특별한 상황에서는 좀 더 생소한 결과로 우리에게 다가오는 경우가 많습니다. 그에 대해서 좀 더 작성해 보도록 하겠습니다.

1. 표면상태와 마찰력
마찰력은 표면의 물질의 종류와 거칠기에 따라서 달라집니다. 따라서 그 내부 물질과는 거의 연관성이 없기 때문에 우리는 마찰을 조절하기 위한 여러 가지 장치나 물질들을 사용합니다. 일반적으로 마찰력은 물질의 표면에 있는 전자들 간의 상호작용(전자기력)의 결과로 인해서 나타나는 것이므로, 고정되지 않고, 실험할 때마다 (표면상태가 바뀌기 때문에) 달라지는 결과를 볼 수 있습니다.

2. 얇은 박막의 마찰력 변화
어떤 물체에서 얇은 박막이 씌워져 있을 경우에 마찰력을 생각해 볼 수 있습니다. 그 예가 빗길의 도로 위의 수막과, 엔진 내부의 윤활 기름에 의한 막 등을 생각할 수 있습니다. 이는 우리가 생각하는 두 물체간의 마찰이 직접 일어나지 않고, 어떤 다른 물체가 중간에 끼어서 마찰이 이중으로 일어나게 되기 때문에 전체 마찰력은 줄어드는 현상입니다. 마찰력은 마찰계수와 함께 상대속도에 의존하는데, 상대속도가 바닥 vs 물, 물 vs 바퀴 이렇게 두 부분으로 나뉘어서 전체적인 마찰력은 줄어든다고 편하게 생각하십시오.(물론 편하게 이렇게 생각하는 것이 정확한 것은 아니지만, 크게 틀린 생각도 아닙니다.)

여기서 주의할 것은 우리가 교과서에서 스케이트를 탈 때 스케이트가 잘 미끄러지는 것이 얼음이 압력에 의해 아주 조금 녹아 수막을 형성했기 때문이라고 배웠다는 것입니다. 언 듯 보면 이것도 수막현상과 같이 생각될 수 있지만, 실제로는 그렇지 않다고 합니다. 얼음은 그 자체로 매우 작은 마찰계수를 갖고 있어서 스케이트에 잘 미끄러지는 성질을 갖고 있으며, 물론 압력에 의해 얼음이 녹아 물이 되어 마찰계수에 영향을 주는 경우도 있지만, 그것은 특별한 경우일 뿐이라고 합니다.

3. 표면의 물리적 변화와 마찰력
표면을 무엇으로 코팅한다던지, 아니면 표면이 산화한다던지 하는 일로 표면의 물리적 성질이 변화한다면 당연히 마찰력이 변화할 것입니다. 또한 표면의 거칠기라던지 하는 성질이 변화하여도 마찰력은 변화하기 마련입니다. 그런데 주의할 점은 표면의 물리적 변화 정도에 따라서 어떠한 물리적 법칙을 찾아낼 수 없다는 데 있습니다. 매우 불규칙적이며, 또한 우리로써는 알아낼 방법은 없고, 단지 그 경향만을 (대략적으로나마) 알 수 있습니다.
이것은 언제나 불규칙한 오차가 존재하는 듯 보입니다.

4. 공기의 압력(기압)과 마찰력의 변화
공기가 우리 주변에 어느 정도 일정하게 존재함으로써 우리는 공기가 마찰력에 기여하는 것을 거의 잊고 지내는 것 같습니다. 또한 전공자인 저도 정확히 어떠한 현상이 일어나는지 배우질 않았습니다. 하지만 최근 나오는 SF영화에서 보면 종종 공기가 없는 우주공간이나 해저 이야기가 많이 나오기 때문에, 이에 대해서 생각해 보면 재미있을 것 같아 이 단락을 마련했습니다.

4.1 우주공간에서의 마찰력
우주공간에서의 진공상태는 이 글을 읽으시는 모든 분들이 아실 것이라 생각합니다. 이 진공상태가 마찰력에는 어떤 영향을 미칠까요?
실제로 우리가 생활하는 지구표면에서는 공기가 어떠한 물체의 사이에 거의 언제나 스며들어서 윤활제 역할을 하고 있습니다. 즉, 공기가 있어서 마찰력이 줄어들었다고 생각할 수 있는 것입니다. 그렇다면 우주에서는 어떨까요??
우주에서는 공기가 희박해짐에 따라서 마찰계수가 점차 커지다가 결국에는 마찰계수가 거의 무한대에 이르는 것을 실험할 수 있습니다.
또한 그럴 경우에 나사 하나를 돌리는 것조차 거의 불가능하다는 것을 알 수 있습니다. 초기의 SF영화들에서는 그래서 나사를 돌리거나 하는 우주공간상에서의 작업이 아예 나오지 않거나, 나오더라도 어떠한 특수한 장비를 사용한다거나 하는 것을 많이 볼 수 있었습니다.
하지만 최근의 영화들은 재미를 위해서인지 그런 것을 구현하면서 영화를 찍을 기술이 없어서인지 그러한 내용의 설정을 하는 것을 본적이 없습니다.

(추가 : 미국 우주왕복선을 이용해서 인공위성을 회수하기 위해서 우주왕복선에 로봇팔을 실었을 때 제일 처음 인공위성을 회수하고자 하는 시도는 실패하게 됩니다. 위에서 말했듯이 로봇팔의 관절 부분이 공기가 없어서 굳어버렸기 때문에 작동하지 않았습니다. 과학자들은 이에 문제점을 깨닫고 연구하여 고체그리스(고체윤활유)를 만들어 내어 현재 우주에서의 로봇팔 작동에 사용합니다. 고체그리스는 움직임이 있을 때만 잠깐 액체로 변했다가 움직임을 멈추면 다시 고체로 굳어진다는군요. ^^)

4.2 해저에서의 마찰력
영화 "Core"에서 보면 잠수정이 지구 코어(외핵)에까지 내려가는 것을 볼 수 있습니다. 그 정도는 아니더라도 잠수함이나 잠수정이 심해의 대양저에까지 내려가면 어떤 현상이 일어날까요???
윗 단락에서 우주공간으로 가면 공기가 줄어들어 마찰계수가 거의 무한대에 이른다고 설명했습니다. 그렇다면 압력이 굉장히 높아진 심해에서는 반대로 마찰계수가 아주 작아질까요???

결론을 말씀드리자면 그 추측은 정확히 맞습니다. 따라서 SF영화나 SF만화 영화에서 심해로 내려간 잠수함에 물이 새는 장면을 자주 볼 수 있었을 것입니다. ("이상한 바다의 나디아"라는 만화영화에 보면 삼총사가 타고 다니는 잠수정 "그라탱"은 맨 날 물이 샙니다..^^) 이것은 압력이 올라감에 따라서 나사와 잠수함체 사이의 마찰이 줄어들어 쉽게 빠지거나 느슨해지기 때문에 나타나는 현상입니다.
영화상에서 압력이 올라가면 나사가 스스로 돌아 빠지는 모습을 가끔 보여줍니다. 마찰이 적어졌기 때문에 좁은 나사의 단면적에 가해지는 힘에 의해서도 나사가 돌아가는 것입니다.

5. 바닥면의 에너지 반사와 마찰력이 달라져 보이는 현상
                                                   - 비행기의 수면비행 또는 종이의 책상 위 이동
이 현상은 실질적으로 마찰력과는 관련이 없지만 굉장히 재미있는 현상이면서 또한 현실에서 자주 접할 수 있는 일이기에 이곳에 내용을 남깁니다.

이 현상은 쉽게 실험을 할 수 있습니다. 얇은 (그러나 약간은 뻣뻣한) 종이 한 장을 꺼내서 판판한 책상 위에 올려놓습니다. 이때 책상의 한쪽 끝에 약간 종이 끝이 나오도록 올려놓는 것이 좋습니다.
그리고 손으로 튀어나온 종이 끝을 책상의 가운데로 쳐 보십시오.
어떤 때는 금세 멈추던 종이가 어떤 때는 책상의 끝까지 주~욱 이동해 가는 것을 볼 수 있을 것입니다. 이것이 지금 설명하려는 현상들인데.... 결과적으로 보면 마치 마찰력이 줄어든 것 같이 보입니다.
하지만 엄격히 말해서 마찰력이 줄어든 것이 아니라 종이가 공중에 붕 떠서 이동하는 것입니다. 종이가 붕 뜬 상태로 이동하면서 종이가 공기 중으로 발산한 충격파중 일부는 책상 위에 부딪혀서 반사되고, 다시 종이로 전해지는 것입니다. 이런 현상이 반복적으로 일어나서 종이는 멈추지 않고 비교적 오랫동안 책상 위를 미끄러지듯 이동할 수 있었던 것입니다.

이러한 현상은 바다 위를 낮게 날고 있는 비행기에서도 일어나고 있는데, 연료가 절반정도밖에 안 든다고 합니다.

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