・静止摩擦力とは
・動摩擦力とは
・摩擦力と運動方程式
摩擦力という言葉は日常でも使うので皆さんご存知ですよね。
物理基礎の力学に登場する力は,重力・張力・垂直抗力・弾性力・浮力に加えて”摩擦力”で最後になります。
摩擦力が分かると,物理基礎の力学の範囲も結構分かってきたということになるので,しっかりと勉強しましょう。
摩擦力とは
面からはたらく物体の運動を妨げる力。
静止摩擦力と動摩擦力の2つに分けて考える。
摩擦力とは,面からはたらく物体を妨げる力のことです。
面というのは壁や地面のことで,どこかに触れていない場合,摩擦力はありません。

摩擦力は,物体が動こうとするのを邪魔したり,動いている物体を止めたりする力,と考えて大丈夫です。
摩擦力の向きは物体が動いている(動こうとしている)向きの逆向きとなります。
また,摩擦力があるときは問題文に必ず「粗い面」という言葉が書いてあるので,確認しましょう。
(摩擦がない場合は「なめらかな面」と書いてあります。)
物体が静止しているときと動いているときで,静止摩擦力と動摩擦力として分けて考えるので,それぞれ別々に説明していきたいと思います。
摩擦があるときは「粗い面」と書いてあり,摩擦がないときは「なめらかな面」と書いてある
もしどちらも書いていない場合,摩擦はあるものとして考えましょう
静止摩擦力とは
静止中の物体にはたらく摩擦力。
大きさは物体を引く力によって変化する。
物体がすべり出す直前の静止摩擦力。
静止摩擦力の最大値
$$F_0=μ_0N$$
μ(ミュー):静止摩擦係数(単位なし)
N:垂直抗力[N]
静止摩擦力とは静止中の物体にはたらく摩擦力のことであり,静止摩擦力の大きさは物体を引く力と同じ大きさになります。

静止摩擦力は物体が滑り出すのを止めるような力であるため,1Nで引っ張れば1Nで邪魔をしますし,20Nで引っ張れば20Nで邪魔をします。
静止摩擦力と物体を引く力が同じ大きさであるため,物体は静止し続けることができるということですね。
しかし,静止摩擦力には限界があり,引く力をどんどん大きくしていくと物体はいつか滑り出します。
このときの摩擦力のことを最大摩擦力といい,記号はF0を使います。(正直,FでもF0でもどっちでもいいです。)

静止摩擦力は物体を引く力によって変化しますが,最大摩擦力の大きさは計算で求めることができます。
静止摩擦係数μ(ミュー)と,垂直抗力Nを使い,
$$F_0=μ_0N$$
という式を使い計算します。
摩擦係数とは,物体の滑りやすさを表す数値です。
氷や油を引いた金属であれば,滑りやすいので摩擦係数が小さくなり,ゴム等の滑りにくい物質は摩擦係数が大きくなります。
また,摩擦係数は0~1の値であるということを知っておくと便利です。
動摩擦力とは
運動中の物体にはたらく摩擦力。
動摩擦力の大きさは常に一定。
$$F’=μ’N$$
μ’(ミュー):動摩擦係数(単位なし)
N:垂直抗力[N]
動摩擦力とは,運動中の物体にはたらく摩擦力のことであり,記号F’を使います。
動摩擦力は静止摩擦力とは違い,大きさは常に一定であり,
$$F’=μ’N$$
で求めることができます。
なお,μ’のことを動摩擦係数と言います。
記号が少し違うだけで,最大摩擦力と非常によく似ている式ですね。
最大摩擦力の公式と動摩擦力の公式は,どちらも
$$F=μN$$
となる。
ただし,摩擦係数μは,最大摩擦力と動摩擦力で違う数値を使う。

摩擦のある床の上で物体を引くとき,引く力と摩擦力の大きさのグラフは上図のようになります。
静止摩擦力は,引く力が大きくなればなるほど大きくなりますが,いつか限界に達し最大摩擦力になります。
最大摩擦力より大きな力で引くと,物体は動き出し動摩擦力が現れます。
このとき,動摩擦力は一定の大きさであり,最大摩擦力より小さい値となります。
つまり,物体を動かすよりも,動かし続ける方が必要な力は小さいということです。これは日常生活でも感じることですよね。
摩擦力は力の仲間であるため,力のつり合いや運動方程式の問題にも出てきます。
どのような問題があるのか,例題を通して確認していきましょう。
例題
例題1

粗い水平面上にある質量5kgの物体を置き,水平方向に引く。引く力の大きさが15Nのとき,物体は動かなかったが,24.5Nをこえたときに滑り始めた。
(1)引く力が15Nのとき,静止摩擦力の大きさは何Nか。
(2)物体と面との間の静止摩擦係数はいくらか。
例題2
粗い水平面上で,質量2.0kgの物体が滑っている。物体と面との間の動摩擦係数が0.30のとき,物体が受ける動摩擦力の大きさは何Nか。また,物体の加速度の大きさは何m/s2か。

例題3
傾斜角がθである粗い斜面の上に質量mの物体を静かに置いたところ,物体は滑り出した。動摩擦係数をμ’,重力加速度をgとするとき,以下の問に答えなさい。
(1)物体にはたらく動摩擦力の大きさを求めなさい。
(2)物体の加速度の大きさを求めなさい。

まとめ
・「粗い」は摩擦あり,「なめらか」は摩擦なし。
・静止しているときは静止摩擦力,運動しているときは動摩擦力。
・「滑り出す直前」は最大摩擦力。
・公式は$$F=μN$$
今回の解説はこれで終わります。