빗속에서의 수막현상 이 궁금합니다?
안녕하세요. 백대균 공학박사 과학전문가입니다.
우리가 신발을 신고 걸어가면 신발과 바닥면에 마찰이 생기고, 미끄럼이 발생하지 않으면 이 마찰력이 반력으로 작용하여 걸어갑니다. 만약 얼음위에서 걷는다면 신발과 얼음사이에 눈에 보이지 않는 아주 소량의 물들이 윤활을 일으켜 미끄럼이 발생하여 앞으로 나아가지 못하고 미끄러집니다. 이렇게 두 물체가 상대운동을 접촉할 때 마찰이 발생하는데 우리가 걸을 때와는 반대로 마찰을 없애고 잘 미끄러져야 하는 경우에 액체의 윤활유를 사용합니다. 스케이팅도 스케이트 날과 얼음사이에 물이 윤활을 일으켜 미끄러지는 현상입니다. 마찰에서 고체와 고체가 만나면 미끄러지지 않고 반력이 생겨 서로 밀어내는 힘이 발생합니다. 마찰에서 고체와 고체사이에 작은 가루나 유체가 있으면 서로 만나는 면에 일부는 고체와 고체가 만나고 일부는 고체와 고체사이에 가루나 액체가 존재하여 미끄럼이 발생합니다. 우리가 모래가 많은 길을 걷거나 물이 있는 곳을 걸을 때 신발과 바닥사이를 확대해 보면 일부면에서 모래나 물이 윤활을 일으켜 미끄럼이 발생합니다. 고체끼리의 마찰보다 윤활이 더 많아지면 걷다가 미끄러지게 됩니다.
자동차도 마친가지입니다. 비가 오지 않는 날에는 아스팔트와 타이어 사이에 마찰이 생기고, 마찰력으로 차가 미끄러지지 않고 달립니다. 그러나 비가 오면 타이어면과 아스팔트 사이에 물이 윤활 작용을 하는데 타이어와 아스팔트의 마찰이 타이어와 물의 윤활보다 더 크면 미끄러지지 않고 나아갑니다. 만약 차의 속도가 빨라지고 비가 많이 오면 타이어와 아스팔트 사이에 수막이 형성되어 타이어면과 아스팔트가 닿지 않고 중간에 물의 얇은 층이 형성되어 타이어가 미끄러집니다. 이 현상을 수막이라고 하는데 비가 많이 내려 물의 양이 많을 수록 타이어의 회전속도 즉, 차의 속도가 빠를 수록 수막이 잘 형성됩니다. 특히 차의 속도가 수막 형성에 결정적인 역할을 하므로 비가 많이 오면 차의 속도를 낮추어야 합니다. 직진할 때는 수막현상으로 미끄러짐이 큰 문제가 되지 않을 수 있으나, 커브길에서는 수막현상으로 차가 미끄러져 차도에서 차가 벗어나므로 굉장히 워험합니다.
<그림 1> 고체와 고체사이에 유체가 있을 때 윤활현상
위의 그림 1에서 보는 것처럼 고체와 고체사이에 유체가 있을 때 세가지로 분류됩니다. 일반적인 빗길에서 운전은 경계윤활로 미끄럼보다는 마찰이 더 큰 상태입니다. 비의 양이 많아지고 차의 속도가 빨라지면 혼합윤할이 되어서 차가 미끄러질 확율이 높아집니다. 이론적으로 타이어와 아스팔트 사이에 수막이 완전히 형성된 상태는 유체윤활입니다. 그러나 실제는 유체윤활까지 가기전에 혼합윤활에서 차가 미끄러질 것입니다.
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