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摩擦

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歴史

「摩擦 (friction)」という語を初めて文献中で用いたのはアイザック・ニュートンだとされる^[10]^:2。しかし、アリストテレスを始めとする古代ギリシャ人や、ウィトルウィウス、大プリニウスらは早くから摩擦の原因や緩和法に興味を持っていた^[11]。このころすでに静止摩擦と動摩擦の違いは知られていた。テミスティオスは350年に「動いている物体の運動をさらに強める方が、静止している物体を動かすより易しい」と記している^[11]^[12]^[13]^[14]。

1493年、トライボロジーのパイオニアであったレオナルド・ダ・ヴィンチにより、滑り摩擦に関する古典的な法則が発見された。それらは私的な記録に残されたのみだったが^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]、ギョーム・アモントンによって1699年に再発見され、後に摩擦の基本法則（アモントン＝クーロンの法則）の一部とみなされるようになった。アモントンは摩擦が生じる理由として、物体表面の微小な凹凸がかみ合うことで相対運動を妨げるという凹凸説（roughness theory）を示した^[10]。この見方はのちにベルナール・フォレスト・ド・ベリドール（英語版）^[20]とレオンハルト・オイラーによって深化された（1750年）。オイラーは斜面上に置かれたおもりの摩擦角を導き、静止摩擦と動摩擦を初めて明確に区別した^[21]。ジョン・デサグリエ（1734年）は摩擦における凝着の役割を初めて認識し、接触面の凝着が引きはがされるときに発生するのが摩擦抵抗だという凝着説（adhesion theory）を唱えた^[22]。

摩擦の理解をさらに進めたのはシャルル・ド・クーロンである（1785年）。クーロンは摩擦の四つの主要因として、物体とその表面塗装の性質、接触面積、接触面に垂直な圧力（荷重）、待機時間^{[注釈 1]}に注目した^[15]。クーロンはさらに、滑り速度や温度と湿度の影響を考慮に入れて、凹凸説と凝着説のどちらが正しいかを突き止めようとした。クーロンは摩擦の法則の中で静止摩擦と動摩擦を区別した（下記参照）が、この点は1758年に既にヨハン・アンドレアス・フォン・ゼーグナーによって論じられていた^[15]。ピーテル・ファン・ミュッセンブルーク（1762年）は待機時間の効果を説明するため、繊維状になった接触面を想定し、繊維が次第に噛み合っていくことで時間とともに摩擦が進行するという見方を示した。

ジョン・レスリー（1766 - 1832年）はアモントンとクーロンの見方の弱点を指摘した。アモントンが言うように接触面で凹凸が噛み合っているならば、物体を滑らせたとき、接触点が凹凸の傾斜を上る間は抵抗が発生するが、傾斜を下るときに埋め合わされるのではないか？レスリーはデサグリエの凝着説に対しても同程度に懐疑的であり、凝着も抵抗としてだけではなく加速力としてはたらくのではないかと述べた^[15]。レスリーの観点では、摩擦とは時間とともにアスペリティが押し延ばされていく過程であって、それによって空洞だったところに新たな障害物が作りだされるのだという。

アーサー・モリン（英語版）（1833年）は転がり摩擦と滑り摩擦という概念を展開した。オズボーン・レイノルズ（1866年）は粘性流れの式を導いた。これにより、工学において現在一般に用いられている経験的な摩擦の古典モデル（静止摩擦、動摩擦、流体摩擦）が完成した^[16]。1877年にフリーミング・ジェンキンとジェームス・アルフレッド・ユーイングは静止摩擦と動摩擦の連続性について研究した^[23]。

20世紀の摩擦研究は、その物理的なメカニズムの解明に焦点があてられた。フランク・フィリップ・バウデンとデイビッド・テーバーは、微視的なレベルでの真実接触面積が見かけの接触面積よりもはるかに小さいことを明らかにした^[17]。バウデンとテーバーの著書 The friction and lubrication of solids（1950年。邦題『固体の摩擦と潤滑』）は摩擦研究の古典とみなされている^[24]^:17^[25]。彼らによると、アスペリティの先端がもう一方の接触面に触れた部分だけが真実接触部となり、圧力が増えると接触部の面積は増加する。こうした現代的な形の修正凝着理論が摩擦の基礎理論として広く認められるようになった^[10]^:3,38。また原子間力顕微鏡（～1986年）の開発は原子スケールでの摩擦研究を可能にした^[16]。その結果、原子スケールでの摩擦は接触面間のせん断応力と接触面積の積で与えられることが明らかになった。これらの二つの発見によって、アモントンの第一法則、すなわち、巨視的な乾燥摩擦面では垂直抗力と静止摩擦力が比例することが説明された。

1966年、摩擦と潤滑に関する科学技術の振興を目的とした包括的な答申書（ジョスト報告、Jost Report）がイギリスで作成された。この報告が注目を集めたのは、摩擦研究の発展によって、社会全体でGNPの1.3%にのぼる経費が節約できるという試算を示したためである。また同時に摩擦の関連分野の研究を「トライボロジー」という造語で呼ぶことが提案された。日本の通商産業省はこれに追随して1970年と1971年に「わが国潤滑問題の現状」という報告書を作成した。ドイツ、アメリカもこれに続き、共通基盤技術としてのトライボロジーの重要性が広く認識されるようになった^[26]^:164-169。

脚注

注釈

^ dwell time。物体が面の上で静止してから次に動かされるまでの時間^[9]。time of reposeとも
^ ここでいうトラクション係数を慣用的に「摩擦係数」もしくは「μ（ミュー）」と呼ぶことがあるが^[90]、物理的な静止摩擦係数・動摩擦係数とは異なる^[87]。

出典

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