고속 주행환경에서 슬라이더와 얼음 표면의 접촉면적 성장에 관한 연구

Abstract

얼음은 독특한 마찰특성을 갖는데, 마찰될 때 얼음 표면이 마찰열에 의해 녹아 얇은 수막을 형성하고, 형성된 수막에 의해 자체적으로 윤활되어 낮은 마찰력을 갖는다. 이러한 독특한 얼음의 마찰 특성은 속도를 겨루는 동계스포츠나 타이어 산업, 쇄빙선 등에서 얼음 마찰력을 컨트롤하기 위해 여러 연구자들에게 연구되어왔다. 아무리 평평한 얼음이라도 그 표면에는 요철이 존재하고, 슬라이더와 부분적으로 접촉하여 다양한 크기와 형태의 실접촉면적을 형성한다. 접촉면에 형성된 수막의 넓이나 형태는 얼음 마찰력에 필연적으로 영향을 줄 것이기 때문에 실접촉면적은 얼음마찰에 중대한 영향을 주는 요소이다. 때문에 얼음 마찰면의 실접촉면적은 여러 연구자들에 의해 관측되어왔으나 마찰 후 정지된 상태에서만 관찰되어왔고, 동적인 상황에서 관찰된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 얼음 마찰면에서 일어나는 전반사 특성을 이용한 실접촉면적을 실시간으로 가시화할 수 있는 방법을 제시하였다. 석영 프리즘을 얼음 위에서 마찰시키며, 마찰면을 프리즘을 통해 비스듬하게 바라보면 석영 프리즘과 얼음이 직접 맞닿지 않는 곳은 전반사가 일어나 밝게 보이지만, 석영 프리즘과 얼음이 맞닿는 곳은 빛이 투과하여 어둡게 보여, 얼음이 직접 맞닿는 실접촉면적을 가시화할 수 있었다. 이 방법으로 관찰된 얼음의 실접촉면적은 다수의 접촉점으로 이루어져 있으며, 이들 접촉점들은 얼음 표면의 돌기들이 프리즘과 닿아 형성된 것들이다. 이들 접촉점들은 프리즘과의 접촉 초기에는 몹시 작다가도 마찰이 일어나는 중에 그 크기가 빠르게 성장해 나가는 현상이 발견되었다. 이는 마찰열에 의해 얼음 돌기의 상단이 녹아나가 마찰면적이 점차 증가하는 것으로 보인다. 이는 기존의 얼음 마찰을 연구한 선행연구자들이 고려하지 못했던 현상이다. 앞서 관찰한 접촉점의 성장과정을 보다 통제된 환경에서 관찰하기 위해, 반구형으로 제작된 얼음 시편을 연마된 석영디스크에 올리고, 석영디스크를 회전시켜 고정된 반구형 얼음 시편과 마찰시켜 그 마찰력을 측정하였다. 동시에 초고속 카메라가 석영디스크 측면에 설치되어 얼음 시편와 석영디스크의 실제접촉면적을 디스크 옆면을 통해 촬영하였다. 그 결과 실접촉면적과 마찰력이 시간에 따라 점차 증가하는 현상을 통제된 환경에서 관찰할 수 있었다. 얼음의 반지름 , 속도 , 그리고 수직항력 을 변화시켜 가며 실접촉면적과 마찰력을 측정하게 되면 넓게 산포된 데이터 라인들을 얻을 수 있다. 한편 구형으로 가정된 얼음 돌기가 마찰열에 의해 녹아가는 과정을 녹는점 근처에서 스케일링 분석하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다. , . 위의 관계식으로 얼음의 반지름 R, 속도 U, 그리고 수직항력 을 도식하게 되면 넓게 산포되어있던 데이터 라인들이 하나의 마스터 커브 위에 수렴하는 것을 볼 수 있다. 또한 제시된 모델과 실험결과 모두에서 실접촉면적과 마찰력이 수직항력에 무관하다는 결과를 얻을 수 있었다. 얼핏 보기에 Amontons law of friction에 위배되어 보이는 이러한 현상은 슬라이더에 작용하는 수직력이 얼음과 슬라이더 사이에 형성된 물층의 유동에 영향을 주지 못하여 나타나는 현상이다.