자동차와 마찰력

마찰력과 구동력 : 마찰이 발생하면 차는 전진한다.

자동차는 엔진의 힘으로 타이어를 회전 시켜서 전진합니다. 이 때, 왜 타이어를 회전시키면 자동차가 앞으로 나아갈까요?
그 이유는 노면과 타이어 사이에서 마찰이 발생하기 때문입니다.
예를 들어 얼음 위에서 자동차는 정상적으로 나아가지 못합니다. 그 이유는 타이어가 얼음에 미끄러지기 때문이지요. 마찰력 관점에서 보면 얼음과 타이어 사이에 마찰이 발생하지 않기 때문에 미끄러게 됩니다.
즉, 마찰이 없으면 자동차를 구동하는 힘, 구동력이 발생하지 않게됩니다.

왜 마찰이 있으면 구동력이 발휘 될까요? 이것은 작용 반작용의 법칙에 따른 현상입니다. 물체 A가 물체 B를 미는 힘이 있으면 반드시 물체 B가 물체 A를 미는 힘도 있기 때문입니다. 즉, 두 힘의 크기는 같으며 방향은 반대가 됩니다.
자동차의 경우 타이어가 지면을 뒤쪽으로 미는 마찰력의 반력이 자동차를 전진시키는 구동력이 됩니다.

하지만 마찰력에는 한계가 있습니다. 한계를 넘은 마찰력으로 바퀴를 회전 시키면 마찰이 발생하지 않고 타이어가 공회전 하게 됩니다. 이런 타이어의 공회전을 휠 스핀 이라고 합니다. 일반 차량에는 잘 발생하지 않지만 경주용 차량에는 출발할 때 너무 강한 힘을 타이어에 걸면 휠 스핀이 발생할 수 있습니다.
마찰력의 크기나 한계는 마찰을 일으키는 두 물체와 두 물체의 상태에 따라 영향을 받습니다. 예를 들어 같은 타이어를 사용하더라고 노면이 젖어 있을 때는 마찰이 덜 발생하기 때문에 마찰력의 한계가 더 낮아집니다.
자동차의 경우 타이어와 노면 사이에 발생하는 마찰에 의하여 주행에 영향을 받는데 경주용 타이어는 일반 타이어보다 마찰을 잘 일으키는 고무 재질을 사용한 타이어를 사용합니다. 두 물체 사이에 마찰이 잘 일어나는 정도를 마찰 계수라는 수치를 이용하여 표현합니다. 마찰 계수는 \(\mu\)로 표현되고 잘 미끄러지는 노면을 \(\mu\)가 낮은 노면이라고 생각하면 됩니다.
마찰력은 마찰 계수 \(\mu\) 뿐 아니라 마찰면과 수직 방향으로 물체를 누르고 있는 힘의 크기에 비례합니다. 따라서 자동차와 노면이 수평한 상태일수록 자동차가 무거울수록 마찰력의 한계가 높아집니다.