摩擦係数・摩擦力について質問です。

質問

摩擦係数・摩擦力について質問です。

中学の頃理科で習ったのですが、物体と物体の摩擦力は、その接触面積にはよらず、垂直抗力に比例すると。

また、摩擦力＝摩擦係数×垂直抗力である。
摩擦力は静止摩擦力と動摩擦力があって、だいたい、静止摩擦力＞動摩擦力の関係がある。
また動摩擦力は物体同士の速度によらない。（物体が変形してしまうほどの極端な速度である場合を除く）

すると、なぜハイパワーな車のタイヤは太いのですか？
太い＝接地面積が大きい（単純に正比例では無いと思いますが、だいたい比例）、ですが、車重が変わらないとしたら、垂直抗力は同じだから、摩擦力は同じになりませんか？

自動車は地面との摩擦力の反作用で前進するから、タイヤが滑らない限り加速することができる。→加速力が大きくなる。

ハイパワー車は加速力が特徴であるから、摩擦力を大きくするべく設計するはず。
それがタイヤの太さとどう結びつくのかが疑問点です。

昔からの疑問でした。
お分かりの方がいましたら宜しくお願いいたします。
お伺いしたいことは、『摩擦力と接地面積の関係です。中学で習った面積には関係ないというのが、疑問です。』

回答No.5

foomufoomu · ベストアンサー

いったい何を聞きたいのですか？
「摩擦力は接触面積と無関係に決まる」という、いまさらな話の理由を聞きたいのでしたら、次のような説明があります。

添付図のように、摩擦の面を規則的な凸凹と考えます。物体にかかる水平力(大きな青矢印)と鉛直力(大きな赤矢印)は、凸凹１個あたりの力に割り振って、斜面での力の分解を考えます。
水平力は、斜面に垂直なピンクのベクトルと、斜面に平行な紫のベクトルに、鉛直力は、斜面に垂直な黄緑のベクトルと、斜面に平行な緑のベクトルになります。

こう考えると、物体がすべり出すのは、紫のベクトル＞緑のベクトルの条件が成立する時であり、結局のところ、鉛直力と水平力の大きさの比と斜面角度による係数で決まり、凸凹の数(つまり物体の底面積)とは無関係であることが分かります。

お礼

これです！知りたかったこと。
どうもありがとうございました。感謝いたします！

回答No.4

noname#194996

理論は重要です。法則も無視はできません。

＞摩擦力＝摩擦係数×垂直抗力である。

その通りです。

これによれば、車はタイヤの摩擦係数と、設計的に発進時の駆動輪にかかる車重を高めれば、あとは馬力勝負ということになります。

ここからが各チームの競争になります。

タイヤの接地面の物性的な摩擦係数など性能を高めるのは当然として、実際の摩擦係数そのものが接地部分の状況にも関係します。どれほどの接地面があれば最大の静止摩擦が得られるかというのは実験によるしかないのです。もちろん地面への食い込みが大きい最小のタイヤ幅では、あっという間に摩耗してパンクしてしまいます。車幅を無限に大きくするほどタイヤ幅を広げる訳にも行きません。様々な実験を繰り返した結果、あのタイヤ幅が最適だったのだろうと思います。
私の経験では、摩擦力は摩擦係数が小さい場合は接触面が小さいほうが（転がり摩擦など）、摩擦係数が比較的大きい場合は、おおむね接触面がより大きいほうが摩擦力は大きくなる傾向にあるようです。タイヤの摩擦係数はほとんど１００％だったと思います。

摩擦力を最小にしたい場合、転動構造（ボールベアリングなど）は理想的です。滑り摩擦が働く場合は、できるだけ接触面積を大きくして単位面積当たりの圧力を小さくし、その隙間の油膜が保たれるようにするのが定石です。上記の法則の展開です。

お礼

ご回答、ありがとうございます。
他の条件を同じにすると、垂直抗力は車重（質量）に比例し、同時に慣性質量も比例するので、摩擦係数がほぼ一定ならば、加速力もほぼ一定になると思います。
パワー（仕事率）が上がったっ分、車重（エンジン）が増えると、加速力は同じになる計算です。

大変有効な回答をいただきました。
接地面の圧力の変化には気が付きませんでした。
中学での摩擦力の考え方は、物体同士が剛体に近い場合成り立つのでは？と思いました。
つまり変形を考えに入れなくて良い場合という条件付きで。

回答No.3

foomufoomu

単純に考えれば、
ハイパワー　→　加速度が大きい　→　タイヤにかかる力が大きい　→　タイヤのゴムの負担が大きい　→　タイヤを太くして接地面積を大きくする　→　単位面積当たりの摩擦力を小さくできる
ということでしょう。摩擦力の問題でなく、タイヤの劣化の問題ではないかということです。

お礼

ご回答、ありがとうございます。
タイヤの件はあくまでも例のひとつで、面積と摩擦力の関係が知りたいのですが・・・

回答No.2

kangaroo05

中学校や高校で学んだ、化学、物理には仮定があります。たとえば、空気がなかったら（空気抵抗を無視すると）とか、分子の大きさを無視するとーーー等です。たとえば、同じ高さから同じ重さのものを投げたら地面に同時におちます。これは、高校物理の範囲です（空気抵抗を無視すると）。同じようにボイルシャールの法則もほとんどの物質ではあいません。
実際のタイヤの摩擦の問題ですが、これも大学工学系の問題になります。
『物体と物体の摩擦力は、その接触面積にはよらず、垂直抗力に比例すると』
『摩擦力と接地面積の関係です。中学で習った面積には関係ないというのが、疑問です。』
だから、実際にはこれらはあてはまりません。しかし、ある範囲にげんていすれば、あてはまるかもしれません。
古典的な学問と実際の現象との違いを見極めるのが、大学教育の利点です。

お礼

ご回答、ありがとうございます。
『ある範囲に・・・』のある範囲というのが知りたかったことです。

回答No.1

mpascal

摩擦を難しく扱う学問を「トライボロジー」といいます。

私には、一言で説明する能力はありませんが、ご参考まで。
http://www.tuat.ac.jp/~y-ando/lab/Lecture.html

お礼

ご回答、ありがとうございます。
良いサイトをご紹介ください感謝いたします。