바퀴가 움직이는데 정지마찰력이 작용해요.

우리는 흔히 움직이면 운동마찰력이 작용하고 정지한 물체에는 정지마찰력이 작용한다고 알고 있습니다. 하지만 항상 그런 것은 아닙니다.

정지마찰력은 면과 면이 상대적으로 움직이지 않는 경우 작용하는 마찰력입니다.

운동마찰력은 면과 면이 스치고 지나갈 때 작용하는 마찰력입니다.

대부분의 경우 물체가 움직이면 운동마찰력을 받게 됩니다. 하지만 바퀴가 굴러갈때는 그렇지 않습니다.

바퀴가 바닥과 닿아 있는 모습을 좀 더 가까이 보겠습니다.

확대된 그림처럼 바퀴의 아래부분도 울통불퉁하고 바닥도 마찬가지입니다. 바퀴의 튀어나온 부분이 바닥의 튀어나온 부분에  걸려서 부수지 못하면 걸린채로 위치를 바꾸어 바퀴아래의 옆부분이 바닥에 닿게 됩니다.

스치고 지나갈 정도로 힘이 강하게 작용하면 바닥의 일부분이나 바퀴의 일부분이 떨어져 나가면서 스치게 될 때도 있습니다. 이럴때는 바퀴가 구르지 않고 미끄러지면서 바닥은 바퀴에 운동마찰력을 작용합니다.

바퀴가 바닥에 닿은 부분이 서로 스치지 않고 닿은 부분이 바뀌게 되는 것은 바닥이 바퀴에 정지마찰력을 주는 것입니다.

그럼 바닥이 바퀴에서 어떤 방향으로 마찰력을 줄까요? 바퀴가 도는 모양은 비슷하지만 어떻게 바퀴를 돌리는지에 따라 바닥이 바퀴에게 주는 힘의 방향과 크기는 달라집니다.

먼저 자전거를 보면 사람이 페달을 밟으면 체인을 통해 뒤바퀴를 돌려줍니다.

체인이 바퀴가 앞으로 가게 하지 않고 돌게만 합니다(노란화살표). 바퀴가 땅에서 돌려고하면 바퀴가 땅을 뒤로 밀어서 땅은 반작용으로 바퀴를 앞으로 미는 정지마찰력(빨간화살표)을 줍니다. 정지마찰력이 바퀴을 돌면서 앞으로 나가게 해 줍니다.

그럼 앞바퀴를 살펴보겠습니다.

뒷바퀴에 의해 전달된 힘은 앞바퀴의 중심으로 연결되어 앞바퀴를 돌지는 않고 앞으로 밀어주기만 합니다(노란화살표). 바퀴가 앞으로 가다보면 땅을 앞으로 밀게 되고 땅은  반작용으로 뒷방향으로 미는 정지마찰력(빨간화살표)을 주게 됩니다. 앞바퀴는 땅이 바퀴에 주는 정지마찰력때문에 돌게 되는 것입니다.

설명을 위해 앞으로 밀어주고 정지마찰력이 돌게 한다고 했지만 사실은 동시에 작용해서 바퀴가 돌면서 앞으로 나가게 됩니다. 바퀴가 같은 방향으로 굴러도 바퀴를 돌리느냐, 밀어주는가에 따라 바닥이 바퀴에 작용하는 정지마찰력의 방향이 달라집니다.