ほぼ何もわかってないため大学では教えられることのない「摩擦力」がこれほどまでに高校物理に頻繁に出現するのはなぜか？
物理に挫折したあなたに――。 読み物形式で、納得！感動！興奮！あきらめるのはまだ早い。 【写真】最新の物理学でもいまだに解明できていない「摩擦力」 大好評につき5刷となった『学び直し高校物理』では、高校物理の教科書に登場するお馴染みのテーマを題材に、物理法則が導き出された「理由」を考えていきます。 本記事では、〈最新の物理学でもいまだに解明できていない「摩擦力」…実はよくわかっていない「摩擦」のしくみ〉にひきつづき、動摩擦力についてくわしくみていきます。 ※本記事は田口善弘『学び直し高校物理 挫折者のための超入門』から抜粋・編集したものです。
動摩擦力は力ではない！
次に「動摩擦力」。これも力という名前がついてはいるが、実際は力ではない。 摩擦がある床の上に置かれた物体を引きずるのに必要な仕事は、以下の式で表される。 仕事=摩擦力×移動した距離 では、ここで生じた仕事の分のエネルギーはどこに消えたのだろうか。実は「それは熱になって失われた」ことになっている。 高校物理では、牽引力のした仕事のうち、物体の運動エネルギーを差し引くことで「失われたエネルギー」を計算し、この値を移動距離で割って「摩擦力」と定義している。式として書くと以下のようになる。 摩擦力=失われたエネルギー/移動距離 ただし、これはあくまでも、便宜的に計算しているだけであって、直接、摩擦力を計測しているわけではない。物体を引きずっている間に働く力をバネ秤などで測ることはできるが、熱によって失われたエネルギーのことはわからないのだ。 「摩擦力を測る」というときに実際にやられていることは下の図のように、バネ秤などを接続して下の物体が動かないように止めておくのに必要な力のほうを計測して「物体が止まっているからには逆向き(図で言えば右向き)の摩擦力が下の物体に働いているに違いない」と類推しているだけであって、下の物体に働く摩擦力を直接計測していることはけっしてない。 実際、動摩擦が働いている間、何が起きているかを考えると、摩擦が力を及ぼしているという考え方が非常に曖昧なものだということがわかる。 この摩擦力がよく理解できていないというのは科学のいろんな分野に悪影響を与えている。たとえば地震のメカニズムの解明だ。 プレート境界型地震は陸のプレートが海のプレートに引きこまれるようにゆっくりとずれていき、限界に達すると跳ね返されてズルッと動くという現象である。このズルッと動くときの振動が地震となって地面に伝わってくる。この地震のいちばん簡単なモデルはスティックスリップモデルと言って動摩擦と静止摩擦が働いている物体をバネをつけて引っ張るものに相当する。 下にスティックスリップモデルの動作原理を示した図を載せた。床と物体には静止摩擦力と動摩擦力が働く。床が動くと静止摩擦力が働くので、物体は床とともに動き、バネが伸び、物体に働く力が徐々に大きくなる。 しかし、いずれ静止摩擦力が最大静止摩擦力を超えるので物体は動き始める。動き出すと今度は動摩擦力が働くので、動き出した物体はいずれ止まる。物体が床に対して静止すると再び静止摩擦力が働き、再びバネが伸びて、と続いていく。この物体が動く瞬間が地震であり、バネがゆっくりと伸び続けている状態が海のプレートに沿って陸のプレートがゆっくりと動いている状態である。 もし、どんな物体をどんな物体とどんな条件で接したらどんな力が働くかがわかればこの簡単なモデルでも地震についてなんらかの知見が得られたかもしれないが、それも無理なのが現状である。 何もわかってないので、大学に進学してもまったく教えられることのない摩擦力がこれほどまでに高校物理に頻繁に出現するのはなぜだろうか。理由はたぶん、我々の日常が摩擦力で溢れかえっているので摩擦を考えないと身の回りの現象をほとんど説明できないからだろう。 動摩擦はいろいろなところで使われている。たとえば車のブレーキ。これは回転している車輪に物体を押し付けて回転を止める装置だが、この本の文脈でいえば「車の運動エネルギーを摩擦熱を介して熱エネルギーに変換する装置」と言ってもいいわけだし、そっちのほうが本質的だろう。 また、とんと見なくなってしまったマッチは、薬のついた棒の先端を別の薬が塗布された紙に押し付けて動かして動摩擦を発生させ、手がした仕事を熱エネルギーに変えて発火が起きる温度まで上昇させていると考えることもできる。そういう意味では動摩擦とは力学的なエネルギーを効率よく変換するしくみだと考えることもできるだろう。 また、静止摩擦がなかったら我々は歩くこともできないだろう。地面を蹴って前に進めるのは静止摩擦があるからだ。この世に静止摩擦がなかったら、足を使って歩行する生物はいなかったし、ひれを使って歩く生物もいなかっただろう。実体がわからなくてかつ邪魔者のイメージが大きい摩擦だが、それなしでは生命は(少なくともある程度大型の生物は)存在することもできなかっただろう。
田口 善弘(中央大学理工学部教授)
