プレーキを踏んだときタイヤにかかる摩擦力の種類は「すべり摩擦」「転がり摩擦」？

高校物理（物理IA）で
「自動車のプレーキを踏んだとき、はじめはタイヤにグリップ力が
残っていたが、さらに強くプレーキを踏むとタイヤがロックして
しまった。前者と後者の摩擦力の種類を答えよ」との趣旨の問題が
ありました。後者の解答は「すべり摩擦で運動摩擦」でよいと
思うのですが、前者のよい解答が思いつきません。摩擦力の種類には

(a)運動の様態による分類
すべり摩擦 or 転がり摩擦
(b)相対速度の有無による分類
静止摩擦 or 運動摩擦

が考えられると思うのですが、この(a)(b)の分類を単純にあてはめると、
前者のケースでは、運動の様態から言えば「転がり摩擦」。
相対速度の有無から言えば「運動摩擦」。というわけで解答は
「転がり摩擦で運動摩擦」となってしまいます。
しかし「転がり摩擦はすべり摩擦の動摩擦よりもずっと小さい」という
一般的な経験的事実と異なってしまいます。
そもそも「転がり摩擦」に静止摩擦と運動摩擦の分類があるのかどうかも
自分にはよく解りません。詳しい方のアドバイスをお願いします。
よろしくお願いします。

No.1 ベストアンサー 回答者： noname#1799 回答日時： 2002/03/11 20:04

ほほ～、

最近の高校はそんな問題が出るの？
ってか、僕が授業中寝てただけかな（笑）

前者は「転がり摩擦で静止摩擦」で良いんじゃない？
だって、走っている車と路面には当然、速度差があるけど、
タイヤは回転しているわけだから、
タイヤの表面と路面の速度差はゼロだよ。
つまり、静止しているのと同じなわけだ。
ここに速度差があるときは、タイヤが滑っているとき。
雪道や、急ブレーキなんかだね。

こんな答えでいいのかな？

元整備士の目で見れば、走行中タイヤは常にごくわずかに滑っているんだけどさ・・・

この回答へのお礼

kodamasuikaさん：

> ほほ～、
> 最近の高校はそんな問題が出るの？
> ってか、僕が授業中寝てただけかな（笑）

数年前から高校理科のカリキュラムが変わっていて
身近な現象について広く浅く学ぶ「物理IA」と
従来どおり系統的に物理を学ぶ「物理IB・物理II」
の２コースに分離してしまいました。そのため従来は
なかった「転がり摩擦」が教材として入ってきたようです。
個人的にはトルク（回転モーメント）の概念が正確に
理解できないうちに工学的な内容をとりあげるのは
どうかと思うのですが…

> タイヤの表面と路面の速度差はゼロだよ。
> つまり、静止しているのと同じなわけだ。
> ここに速度差があるときは、タイヤが滑っているとき。

「タイヤ－路面」間だけに着目した場合、その瞬間
瞬間では相対速度がない（静止しているのと同じ）ので、
「滑り摩擦で静止摩擦」であるような気がしてきました。
「転がり摩擦」は、ブレーキを踏んでいない時にだけ
考えるべきかなという気がします。

貴重なアドバイスありがとうございました。

お礼日時：2002/03/25 16:40

No.3 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2002/03/18 21:42

No.2のコメントをした者です。

意外に書き込みが少ないようなので、少しだけ付け加えます。

「静止摩擦」と「運動摩擦」は、摩擦界面のすべりの有無による分類です。このうち、静止摩擦の方は、界面にずれが起きず一体となった部分に起きるので、一種の応力と見なせるものです。この静止摩擦力を、自動車を制動する一原因のように思うのには無理があります。タイヤと路面間が静止摩擦の状態にある場合には、両者間にすべりが起きないので、地面に対する自動車の相対速度がそのままブレーキディスクとパッド間の相対速度に対応し、この時、ブレーキ部分の摩擦力がそのまま自動車の制動力として効果を発揮するということです。

一方、「転がり摩擦」というのは、すべり方向とは独立に、(タイヤなどの)回転運動に対して働くものです。極端な例として、歯車を考えてみるといいでしょう。すべりは全く起こさず、それでいて、回転に対しては非常に小さな摩擦効果しかない機構になっていますね。

「摩擦力の種類を答えよ」というのは曖昧すぎて答えずらいですが、次のようなことを考えると興味深いです。
路面-タイヤ間の摩擦力は自動車の重量で制限されてしまいます。これに対して、ブレーキ部分の摩擦力はいくらでも大きくできます。両者の効果を考えて、ブレーキを次第に強く利かせていったとき、自動車(の進行方向)に作用する力がどのように変化するか、単純化したモデルを使って調べてみることはできそうです。

この回答へのお礼

hagiwara_mさん：

おっしゃるとおりで、自動車の制動時に働く摩擦を

(1)「タイヤ－路面」間の摩擦
(2)「ディスク－パッド」間の摩擦
(3)「タイヤの回転軸」に働く摩擦

３つに区別して考えたほうがよいみたいですね。

ブレーキがかかり始めた直後では、
(1)は「滑り摩擦の静止摩擦」
(2)は「滑り摩擦の動摩擦」
(3)は「ころがり摩擦の動摩擦(?)」
とかになるのでしょうか？

このような質問にお答えいただきまして
どうもありがとうございました。

お礼日時：2002/03/25 16:57

No.2 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2002/03/12 17:08

自動車の制動時、摩擦は、路面とタイヤ間、および、(タイヤに固定された)ブレーキディスクとパッド間の２個所で起こっています。

分けて考えられてはどうでしょう。