(959)미끄럼 마찰, 수막현상, 복빙현상설, 마찰열설-용어정의(2014.06.25)

[탑동 백구두]

미끄럼 마찰, 수막현상, 복빙현상설, 마찰열설-용어정의|태백산의 쇼트트랙 칼럼

       

 1. 미끄럼 마찰

   가) 미끄럼 마찰은 [물리] 한 물체가 다른 물체의 면 위에서 미끄러지는 경우,

        그 운동을 방해하여 생기는 마찰이다. 정지 마찰과 운동 마찰이 있다.

   나) 운동마찰 [물리] 한 물체가 다른 물체의 표면에 닿아서 운동할 때,

           그 운동을 저지하려고 접촉면에 일어나는 마찰이다.

    다) 따라서, 운동마찰은 운동하고 있는 물체에 작용하는 마찰력으로 물체가 표면 위를 미끄러질 때 작용하는 마찰의 종류를 말하므로 미끄럼 마찰력(sliding friction force)이다.

참고로, 

    라) 운동마찰에는 미끄럼 마찰(스케이트)과 굴림 마찰(인라인)이 있습니다.

         물체가 굴러갈 때 생기는 굴림 마찰력(rolling friction force)은 물체가 미끄러질 때 생기는 미끄럼 마찰력(sliding friction force)보다 훨씬 작다.

2. 마찰력의 크기는 다음에 의해서 결정된다.
    ①  마찰표면의 거칠기
    ②  마찰짝의 재질
    ③  마찰면의 온도

3. 얼음과 칼날의 마찰력을 살펴보자.

     가) 마찰력은 접촉면에 생기는 운동을 방해하는 힘이다.

     나)  거친 두 표면이 만나면 상대적으로 움직이는 것을 방해하므로 마찰이 일어난다.

따라서

     다) 칼날과 얼음의 마찰을 줄이기 위해, '칼날 갈기'와 '정빙'을 한다.

빙질의 상태는 선수 모두에게 똑같은 조건이라고 전제하고

전자에 맞추어서 설명합니다.

     라) 칼날의 표면이 얼음의 표면을 스쳐 갈 때에는 서로 표면에 팽행한 마찰력이 작용한다.

          눈으로 보기에 아무리 매끄러운 표면이더라도 미시 세계에서 보면 매우 거칠다.

     마) 마찰력은 접촉면의 불규칙 정도에 따라 결정되기 때문에

         동일한 물질이라도 불규칙 정도가 클수록 마찰력도 증가하고

          불규칙 정도가 적으면, 감소한다.

따라서,

     바) 칼날갈기의  마무리 단계에서 마무리 숫돌로 매끄럽게 표면처리해서,

          스케이트 칼날의 표면이 유리알처럼 광택이 나야 한다.

     사) 스케이트 칼날의 표면을 20배 확대 한다면, 아래 사진과 같아야 한다.

     

            동일한 빙질 상태라면, 칼날의 표면을 유리알처럼 반들반들하게 광택이 나도록 만들어야

             마찰계수를 줄일 수 있다.

4. 미끄럼 마찰과 수막현상( 퍼 온 글을 정리)

     가)  수막현상 : 스켓의 칼날과 얼음의 마찰에 의한 열 발생하면서 얼음과 스케이트 사이에 수막층(ice wet layer)이 형성된다.

          위 그림처럼 얼음 표면은 액체처럼 쉽게 움직이는 물 분자층으로 덮여있는데,

          그것이 수막이다.   

     나) 두께는 수 마이크로미터(1㎛=100만분의 1m) 정도이다. 마찰은 두 물체가 서로 닿아 비벼지는 것을 뜻하고, 모든 물체는 그때 예외 없이 열을 방출한다.

움직이는 칼날의 면과 맞부딪치는 얼음의 표면도 마찰열이 발생하며, 그 열은 칼날과 접촉한 얼음을 녹인다.  순간적으로 눈이 물로 변하면서 강력한 윤활 작용을 하게 되는 것이다.

-참고(원문을 개인적으로 번역)-

Physicists suspected long ago that the slipperiness of ice was due to a microscopically thin film of water present between the ice and the skate (or any other sliding object).

 물리학자들은 얼음의 미끄러움은 얼음과 스케이트칼날 사이의 미세한 얇은 수막(thin film of water present)에 기인한다고 오래전부터 추측했다.

Using atomic microscopes and other techniques, they discovered an extremely thin,

liquid-like layer with the consistency of slush at the surface of the ice.

해 원자현미경이나 다른 기술을 사용하였을 때, 그들은 얼음의 표면에 윤활유의 점성을 가진 층같은

극단적으로 얇고 유동성이 존재한다고 발견하였다.  

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5. 복빙현상 설

   가) ※복빙현상에 의한 수막형성
1901년 영국의 레이놀즈는 스케이트나 스키가 미끄러지는 것은 「복빙현상」때문이라고 생각했다.

※ 여기서 압력과 물의 관계를 먼저 알아보자!
물은 1기압 일 때 100℃에서 끓어서 수증기가 되고 0℃에서 얼어서 얼음이 된다. 그러나 압력이 커지면 끓는 온도와 어는 온도가 달라져, 압력이 커지면 더 높은 온도에서 끓게 되고 더 낮은 온도에서 얼게 되어 영하 5도에서도 얼지 않고 액체인 물로 존재 할 수 있다.

이와 같은 현상에 바탕을 둔 것이 복빙현상으로 얼음에 높은 압력이 가해지면 얼음의 녹는점이 내려가 녹다가 압력을 제거하면 다시 어는 현상을 말한다. 이 복빙현상 이론에 따르면, 스케이트 날에 체중이 실리면 큰 압력으로 얼음을 누르게 되고 이 때 얼음의 녹는점이 낮아져 물로 변하게 된다. 이렇게 만들어진 물이 스케이트 날과 얼음 사이에 윤활유 역할을 해서 스케이트는 미끄러진다는 것이다.

스케이트 날과 얼음사이의 물막

    나) 복빙현상에 대한 동영상을 보겠습니다.

         얼음에 압력이 사라지만 다시 얼어붙는(복빙) 현상을 보세요.

   다) 복빙현상 설에 의하면,

        스케이트는 '눌러 타야 한다'는 결론입니다.

 6.  마찰열 설.

      마찰열에 의한 수막형성

케임브리지 대학의 바우덴 교수는 스키와 눈 사이의 마찰계수를 0.05로 하여 스키가 1cm 달릴 때 발생하는 열을 계산하였다. 그랬더니 스키가 눈표면 전체 면적에 골고루 닿아있다고 할 때, 그 열로 적어도 6분자층 이상의 "수막"이 만들어져, 그 결과 수 백만분의 1미터 두께의 수막을 만들어 스키가 달릴 수 있다는 "마찰에 의한 열융해설"을 밝혀냈다. 바우덴 교수의 실험 결과는 스케이트와 얼음 사이에서도 성립된다. 스케이트는 얼음판 위를 달릴 때 얼음과 스케이트 날 사이의 마찰력으로 열이 발생되고, 이 열이 얼음을 녹여 얇은 수막을 만든다는 것이다. 이 수막은 얼음과의 마찰을 줄여 스케이트 날이 자연스럽게 미끄러지도록 도와준다는 것이다.

7.  스케이트 날과 얼음사이의 물막
물은 1기압 일 때 100℃에서 끓어서 수증기가 되고 0℃에서 얼어서 얼음이 된다. 그러나 압력이 커지면 끓는 온도와 어는 온도가 달라져, 압력이 커지면 더 높은 온도에서 끓게 되고 더 낮은 온도에서 얼게 되어 영하 5도에서도 얼지 않고 액체인 물로 존재 할 수 있다.
이와 같은 현상에 바탕을 둔 것이 복빙현상으로 얼음에 높은 압력이 가해지면 얼음의 녹는점이 내려가 녹다가 압력을 제거하면 다시 어는 현상을 말한다. 이 복빙현상 이론에 따르면, 스케이트 날에 체중이 실리면 큰 압력으로 얼음을 누르게 되고 이 때 얼음의 녹는점이 낮아져 물로 변하게 된다. 이렇게 만들어진 물이 스케이트 날과 얼음 사이에 윤활유 역할을 해서 스케이트는 미끄러진다는 것이다.
마찰열에 의한 수막형성 임브리지 대학의 바우덴 교수는 스키와 눈 사이의 마찰계수를 0.05로 하여 스키가 1cm 달릴 때 발생하는 열을 계산하였다. 그랬더니 스키가 눈표면 전체 면적에 골고루 닿아있다고 할 때, 그 열로 적어도 6분자층 이상의 "수막"이 만들어져, 그 결과 수 백만분의 1미터 두께의 수막을 만들어 스키가 달릴 수 있다는 "마찰에 의한 열융해설"을 밝혀냈다. 바우덴 교수의 실험 결과는 스케이트와 얼음 사이에서도 성립된다. 스케이트는 얼음판 위를 달릴 때 얼음과 스케이트 날 사이의 마찰력으로 열이 발생되고, 이 열이 얼음을 녹여 얇은 수막을 만든다는 것이다. 이 수막은 얼음과의 마찰을 줄여 스케이트 날이 자연스럽게 미끄러지도록 도와준다는 것이다.

 
8. 온도에 따른 스케이트 타기

스케이트는 영하 15 20 에서 잘 미끄러지지만 그 이하로 떨어지는 혹한기에는 잘 미끄러지지 않는다. 영하 30도인 경우는 스케이트를 타는 것이 아니라 큰 암반이나 소금덩어리 위에서 활주하는 것 같아서 스케이트를 타는 재미를 못 느낀다. 이는 스케이트 날과 얼음판 사이에 복빙현상 혹은 마찰열에 의해 살짝 녹아 수막이 형성 됐다가도 다시 얼 게 되므로 얼음판이 울퉁불퉁해지기 때문이다.
1910∼12년 스코트가 남극 탐험에 나섰을 때의 기록을 보면 영하 30∼40 의 저온이 되면 썰매가 더욱 무거워졌다고 하며 영하 20 정도로 따뜻해지면 썰매가 확실히 잘 미끄러져 가볍게 느껴졌다는 기록이 있다.

얼음 온도 차이에 따른 미끄럼 마찰의 실험입니다. 

-참고(퍼 온 글)-

블레이드의 소재와 제조 방식에 대하여 이야기하는 것입니다. 

K390이라는 소재로 PM 방식으로 만들었다는 것이지요.

PM은 Powder Metal, 즉 분말소재로 되어있는 강철을 용해시키고 순간적으로 압축냉각시켜 만들어진 블레이드라는 것이지요. 

쇼트트랙 블레이드 중 PM 방식으로 만들어진 것들은 BONT의 K390, EVO의 ARGON, VIKING의 V-360, MAPLE의 PM 에디션(골드와 듀로 모두 PM에디션이 출시되기는 하나 주변의 이야기를 들어보면 거의 차이점을 느끼지 못한다고 하더군요.) 등이 있습니다. 

이런 방식으로 만들어진 블레이드들의 특성은 탄성이 매우 강하며 강도 또한 뛰어나다는 것입니다. 벤딩이 쉽게 되면서도 잘 풀어지지 않습니다. 블레이드의 품질이 편차가 없어 신뢰도가 높습니다. 최근에는 PM스틸 블레이드가 많아지는 추세입니다.

PM스틸 방식으로 제조된 블레이드는 엣지의 윗부분과 아랫부분 모두가 색깔이 같습니다. 이론상으로는 PM스틸 블레이드는 엣지가 다 닳을 때까지 사용하여도 문제가 없습니다.

다른 방식도 있는데 bi-metal(이하 바이메탈) 이라는 방식입니다. 두 가지의 다른 두 종류의 금속을 포개어 만드는 것이지요.

원래 온도계 등에 많이 쓰이는 금속입니다. 바이메탈은 금속 자체의 온도 변화가 많지 않습니다. 따라서 차가운 빙판에 들어가면 상대적으로 따뜻하여 얼음과 닿았을 때 활도가 높고 부드러운 느낌을 받게 됩니다. 

이런 방식으로 만들어지는 블레이드는 MAPLE의 GOLD와 DURO, EVO의 Krypton 등이 있습니다.

강도가 PM방식보다는 떨어지는 편이지만 소프트한 느낌으로 선호도를 불러 일으키며, 불특정한 외부의 충격에 강합니다.

보통 많이들 사용하시는 MAPLE사의 블레이드를 보시면 엣지의 상단부와 하단부(얼음에 접촉하게 되는 부분)의 색상이 다른 것을 볼 수 있습니다. 서로 다른 성질의 금속을 포개었기 때문에 색상의 차이가 나타납니다. 바이메탈 블레이드는 하단의 연한 색상 부분이 다 닳으면 블레이드를 사용할 수 없다고 보시면 됩니다. 대강 탈 수는 있겠지만 속도를 내는 데 제약이 있고 높은 속도에서 불안해지게 됩니다.

 [다음카페-탑아이스클럽]이론3-Slow Motion/ST-쇼트트랙 스피드 스케이팅