「摩擦」はしばしばエネルギーを奪う「邪魔者」として扱われがちです。大地を踏みしめて歩く日常を私たちは当然のものとして受け入れていますが、その足元を支えているのは「摩擦」のおかげです。本稿では「摩擦と潤滑」を追いかけます。
シリーズについて
本サイトのメインテーマは「暮らしの背後にある仕組みを読み解く」こと。中学・高校理科の知識をベースに、特定の専門に偏らず、物事の骨子を見抜く力を養います。記事は「歴史的背景」「科学的原理」「フィールド（実社会での応用）」の3層構造で構成しています。「なぜそうなったか」「どんな仕組みか」「現実で何が見えるか」。この3視点を揃えることで、断片的な知識を「線や面」へとつなげ、社会を生き抜くための判断の源泉を提供します。
学校教育で
力学において、物体にどのような力が働いているのかというのをまず理解することが大事です。多くの教科書では箱のモデルにして、静止している箱を押しているとき、押している箱に作用する（力）、反対方向に同程度の反作用（の力）働きます。また物体と床には摩擦力が作用と逆方向に摩擦力が働きます。摩擦力は物体が床を押す床の材質に依存した係数がかかりますという力の分解を習います。実際にかかる力というのを可視化することができていないのでそういうイメージでとらえます。人間が前へ向かって歩くとき、足の裏では地面を後ろに向かって蹴っています。このとき、靴底と地面の間に蹴った力がそのまま体を前に押し出す反作用へと変換されます。
ここで、「静止摩擦」と「動的摩擦」という奇妙な関係が見えてきます。静止摩擦のほうが一般的に大きく地面に対して大きく、動き始めると摩擦は小さくなるという性質があります。
身の回りで
もし、床の摩擦が完全にゼロになったら、それはツルツルに凍りついた氷の上に立たされるのと同じことになります。そして、あらゆる場所を固定しているネジも、この面積に依存しない頑固な静止摩擦のおかげでその役目を果たしています。ネジが締まった状態をキープできているのも、ネジ山とネジ穴の金属同士がギチギチに押し付け合い、噛み合うことで発生する強力な摩擦力のおかげです。もし世界から摩擦が消えたら、あらゆるネジは締め付けた直後からスルスルと逆回転を始め、重力に従ってポロポロと床に落ちてしまいます。
摩擦には、直感に反する不思議なパラドックスがあります。それは、摩擦力の大きさは「接触する面積の広さ」には依存しないといいます。物体を縦に置こうが横に置こうが、相手を押し付ける全体の重さが同じであれば、発生する摩擦力の限界値は変わらないのです。摩擦の強さを決めるのは、どこまでも「押し付ける力」と「素材の組み合わせ」なのです。
また物体を立方体に書くことが多いのですが、タイヤとなると実際はことなっていて、転がり抵抗という回転にエネルギをつかいます。そのときにかかる摩擦力ですが。
タイヤが滑らずにグリップし、しっかりと路面を捉えて転がっているとき、そこには静止摩擦力が働いています。回転するタイヤの最下点、つまり地面に触れているその一瞬の局所的なポイントだけを捉えると、タイヤのゴムは地面に対してピタリと止まっているからです。車輪という発明は、この静止摩擦の強力なグリップを連続的に生かしながら、滑らかな前進し続ける点にある。
しかし、ひとたびブレーキを強く踏みすぎてタイヤの回転が完全に止まり、路面をズルズルと滑り始めると事態は一変します。主役が動的摩擦力へと交代するだけでなく、回転を止めたタイヤの一箇所だけが猛烈に路面と擦れ合うことで、局所的に凄まじい摩擦熱が発生します。この熱によってタイヤのゴムが瞬間的に溶け出すと、路面との間に液状の膜が介在したような状態になり、本来の摩擦力が急激に失われます。現代の車には、タイヤをあえてロックさせずに転がしグリップ力を維持するためのコンピューター制御技術が組み込まれています。
自動車でも電車でも、ブレーキペダルを踏むと、回転している金属の円盤にブレーキパッドと呼ばれる摩擦材が強烈に押し付けられます。このとき、乗り物が持っている運動エネルギーを、激しい摩擦によって熱エネルギーへと変換し、大気中に逃がす作業が意図的に行われています。
乗り物をコントロールし、巨大な構造物を維持するために、私たちはこれら全ての抵抗と付き合わなければなりません。しかしその一方で、工場のプラントや自動車のエンジンの内部など、高速で動き続けなければならない金属の境界では、摩擦は機械を破壊する要因になります。
オイルなく金属同士が激しく擦れ合うとき、この接触面の細かい凹凸が激突します。その瞬間、この凹凸は融解しガッチリと溶着してしまいます。モータなどの機械につながっている場合、この接触面はさらに引き剥がそうとします。そして、溶着した面は再度破壊され、新たな接触面となっていきます。これが摩耗であり、最終的には金属同士が完全に噛み合って動かなくなる「焼き付き」が起こります。
そこで生み出しされたのが、回転する軸を無数の球やローラーで支え、滑り摩擦を圧倒的に小さな転がり摩擦へと変える「ベアリング」です。しかし、このベアリングの内部こそが、摩擦を極限まで消し去りたい部分であり、同時に絶対に滑ってほしくないという矛盾を抱えた材料開発でもあります。ベアリング内の球は滑らずに綺麗に転がってこそ本来の性能を発揮します。もし、油膜の上で球が転がらずにズズッと滑ってしまうと、その微小な滑りが金属表面に目に見えない微細な傷を刻みつけてしまいます。この傷が起点となって油膜が局所的に破れ、最終的な焼き付きへと繋がっていくのです。
金属が静止しているときは、金属面の山と山が触れ合っています。しかし、シャフトが勢いよく回転を始めた瞬間、回転する金属の表面に引きずられるようにして、オイルが狭い隙間へと無理やり押し込まれていきます。逃げ場を失ったオイルは、上の金属をググッと押し上げ、完全に浮上させます。数ミクロンの油膜の砦が、金属と金属の間に築かれるのです。
オイルは低温では固くなり、高温では柔らかくなりやすいのです。オイルの粘度を巡る摩擦への影響はジレンマで。オイルが固ければ、強い力がかかっても油膜は破れないが、オイル自体が大きな抵抗となり、機械の動きを鈍らせエネルギーをロスしてしまいます。逆に、サラサラのオイルは機械は軽く回りますが、熱や過酷な荷重によって油膜が簡単に引きちぎられ金属面が剥き出しになってしまいます。そこで、化学の力を使って温度が変化しても粘度をキープする添加剤を開発しました。
空気抵抗
物体が空間を高速で突き進み始めると、空気抵抗が立ちはだかります。金属同士の乾いた摩擦は速度を上げてもほぼ一定だが、速度が上がるにつれてタイヤの転がり抵抗は増大し、空気という流体がもたらす抵抗は、速度の２乗に比例して増大します。時速40キロでのんびり走るときには微々たる風の壁も、時速100キロを超えると巨大な質量となって押し寄せ、エンジンのパワーの大部分を空気を押し退けるためだけに消費させることになります。
新幹線が直面した「トンネルドン（微気圧波）」がその典型例だ。列車が超高速で狭いトンネルに突入した瞬間、前方の空気は逃げ場を失い、注射器のピストンで押し潰されるように一瞬で高密度に圧縮されます。この圧縮された空気の塊は、音速のパルスとなってトンネル内を突き抜け、出口に到達した瞬間にドーンという爆発音を周囲に撒き散らします。現在では、車両の先頭を鋭く尖らせて空気を優しく押し退ける構造にすることで、この空気の壁を文字通り受け流す技術が定着しています。
宇宙船が地球に帰還するときの「大気圏突入」。宇宙船が数千度の高熱に包まれるため、その底部は、この熱に耐えるため耐熱タイルで身を護ります。宇宙船の時速２万キロを超える速度で大気圏に飛び込む宇宙船の前方の空気は逃げることすらできず一瞬にして押し潰されます。気体は急激に圧縮され爆発的に温度が跳ね上がるのです。宇宙船を包むのは摩擦熱ではなく、高圧で圧縮されたプラズマ化した（自由電子と陽イオンに分かれた状態）空気の熱なのです。
編集後記
おわりに
最後までお読みいただき、ありがとうございました。本記事を通じて、暮らしの背後にある仕組みを読み解くヒントは得られましたでしょうか。もし「このテーマをもっと深く知りたい」と感じていただけましたら、ぜひ関連の解説記事もあわせてご覧ください。
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