水に濡れたゴムはなぜ減りが早いのか

リムを両側からブレーキシューで挟み込むタイプのブレーキの話ですが、
雨天では自転車のブレーキのゴムは急に減りが早くなります。他方ブレーキは利かなくなります。
これにヒントを得てゴムを水ペーパーで削ってみるとカラ研ぎより効率良く削れました。

自転車のブレーキはエネルギーを熱に変えて捨てる原理だと思いますが、雨天では熱に変わらないで機械的に摩耗させる力に変わってしまっているという解釈で良いのでしょうか。

自転車の速度はあまり変わらない（むしろ雨天時の方が遅い）ので制動を掛ける前の運動エネルギーに違いがあるとは思えません。

これと研削作業の時に切削刃にかならず油を注すのとは関係がありますか？

No.6 回答者： my3027 回答日時： 2011/05/07 00:27

補足です。

>知識が無いのですが、用語としては「切削抵抗」という場合には摩擦は本来入れていないのでしょうか？
指摘の様に、切削抵抗には摩擦抵抗も当然入ります。
>冷却に主眼があるということは熱になって逃げる部分もかなりあるということですね。
切削というのは基本塑性変形です。プレスの金属曲げもそうですが、仕事の7～8割は熱になります。クーラントに油が含まれているのは事実ですが、その大量に発生する熱を逃がす事が主眼に置かれているそうです。これは切削専門の知り合いの先生に聞いた話の受け売りですが・・・・。

また余談ですが、ゴムというのは金属とかなり違う性質を持っています。高温になると金属は弾性率が落ちるのに、ゴムは上昇したり、弾性を持つ原因がエントロピ弾性という金属と違う支配法則にのっとっています。専門的な話ですが非線形弾性力学では、ゴムは超弾性体として扱われエネルギ密度関数とグリーン歪による微分により応力を求めていくという流れで、EやG(又はμやλ)等の弾性率に歪をかけて応力を求めるという金属とは根本的に異なる材料です。その意味で、金属を切削する現象とゴムの今回の件は余り比較する事は出来ないと個人的には考えます。

最後になりますが、私も勉強になりました。ありがとうございました。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
ゴムは独特の性質を持っていて、日頃の直感と違う面がいろいろありそうですね。

皆様の回答に優劣など付けられないと考えますので今回ベストアンサーは無しという事でご了承ください。。

お礼日時：2011/05/10 20:53

No.5 回答者： my3027 回答日時： 2011/04/30 13:15

そうなんですね。

知りませんでした・・・。

個人的にはNo.1さんと同意見です。雨によるゴム材質変化が関連していると思います。材質はわかりませんが添付ページが参考になるかもしれません。従って、運動エネルギがもろくなったゴムの崩壊と、本来とはいかないまでも熱エネルギに変わっているが、本来の変換量より低いのではないでしょうか。

切削油は7割水で、残りが油分です。従って主な目的は冷却です。通常切削業界では「クーラント」と文字通り冷却材と呼びます。従って、今回の自転車ブレーキとは関連無いのではないでしょうか。

余談ですが、今回のような日常生活からの疑問は読んでて回答する側も勉強になりますね。これが本来の質問なんだと思います。宿題の丸投げの質問を見るのはうんざりですが、質問者さんのような「気付く力」はスゴイと思います。

参考URL：http://www.kyowakg.com/tech/taisui.html

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

水で膨潤など（メカニズムはわかりませんが）してゴムの強度が低下しているのはありそうですね。
タイヤの材質とブレーキゴムの材質とけっこう違っていることも考えられそうです。
何か実験方法を考えてみます。（両者を濡らしてこすってみるなど)

知識が無いのですが、用語としては「切削抵抗」という場合には摩擦は本来入れていないのでしょうか？
冷却に主眼があるということは熱になって逃げる部分もかなりあるということですね。

自転車の場合冷却以前に水によって摩擦が下がってしまっているんで確かに冷却の効果としては水は使われていないように思います。
しかし切削油の中の油の機能が無いかと言うとそうも言えない、晴天時にはできない圧力増大に貢献してるわけなので。そう考えました。

今の所推測でしかないのですが
・水によるゴムの強度低下 (紙やすりの観察から推測)
・摩擦の低下を補うための圧力の大幅増大
・削れたゴムがはしから洗い流される
この三つの効果なんではないかという感じがして来ております。

質問→回答　という一方通行形にあまりとらわれずに検討していただいており回答者の皆様まことにありがとうございます。
長年疑問でしたのでこういう場が持てたことを感謝いたします。

お礼日時：2011/05/05 21:28

No.4 回答者： freulein 回答日時： 2011/04/29 07:32

ANo.1です。

コメントで頂いたご意見
<<水による切削抵抗の低減も切削量の増加に働いているという推測はどうでしょう>>
これを申し上げております。切削抵抗の内容にゴムの破断強さを含ませた積りです。またご指摘のように水による自転車用ブレ－キの面圧の上昇も考慮に入れることは合理的だと考えます。
なお、自動車タイヤと自転車ブレーキとを比較するには注意が必要かと考えます。前者と後者では摺動の割合が大きく違います。水の影響を比較するには自転車タイヤの磨耗を雨天と晴天とで比較することをお考え下さい。

この回答へのお礼

再度の回答ありがとうございます。

自動車のタイヤの場合自転車よりも過酷でしょうし、ゴムの厚さなども違っていますね。
ただ見た限りでは雨の日にそれほど劇的に減りが早ようには見えません。

自転車の場合晴れた日ほど倒して曲がれないとか、ブレーキが利いていないとかタイヤにかかる負担は確かにかなり減るようです。

このあとは5の方のお礼の所でいっしょに書かせていただきます。

お礼日時：2011/05/05 20:59

No.3 回答者： foomufoomu 回答日時： 2011/04/28 15:47

なお、サンドペーパーに水を付けるとよく研げるのは、また別の現象で、はがれたサンドペーパーの砂が水とともに転がると、普通にこするより、その砂の硬度が高くなったような効果が出るためです。

（と、言うことだったような・・・うろ覚えです。）
自転車のブレーキにも、この現象が起きている可能性はあります。

この回答へのお礼

水ペーパーの場合サンドペーパーに詰まった被研削物が流されるから、研削効率が良くなるわけですよね。

何かつながりがありそうな気がしてきました。
ゴムの場合はペーパーの目詰まりはほとんど生じないのですけども。

お礼日時：2011/04/28 16:59

No.2 回答者： foomufoomu 回答日時： 2011/04/28 15:33

少量の水は、摩擦を大きくする作用があるからでしょう。

大量の水だと水の上に浮いて滑ってしまいますが、少量だと吸い付くようになって摩擦が大きくなります。机の上をぬらして、指でこすってみればすぐにわかります。

＞これと研削作業の時に切削刃にかならず油を注すのとは関係がありますか？
冷却のためと聞いていますが、摩擦が減るためかもしれません。
油はその粘性のため少量でも浮いて滑ってしまうため摩擦が減ります。粘性の小さい油を大きな力がかかるところに使うと、浮かないので滑りません。この現象は油切れと呼ばれています。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

雨天の自転車のブレーキの場合摩擦は大幅に減ります。

ですのですごく力を入れているのに晴天の調子でいるとびっくりするほど利かなくなります。
ですがゴムの方はこれまたびっくりするほど減ります。

「摩擦が減っているのに消耗は増えている」というのが一見常識と反しているような（おそらく）“錯覚”をもつのが不思議ということです。
これは錯覚でふたつは切り離して考えろというのが1の人の意見と解釈しています。

お礼日時：2011/04/28 16:55

No.1 回答者： freulein 回答日時： 2011/04/28 12:05

<雨天では熱に変わらないで機械的に摩耗させる力に変わって>

「熱」はエネルギーで、「磨耗させる力」は力の単位です。比較することには用心しましょう。
さて、「水に濡れたゴムの減りが早い」ことは「ゴムのごく表面の強度が水で弱くなっている」と考えて説明が付くことでしょう。直接確認したわけではありませんが、類似の現象があります。水に濡れて強度低下を示す材料として、プラスチックス・木綿布・材木などいろいろがあります。
切削作業中の油は切削抵抗を低減するためです。つまり切られた金属新生表面が工具表面にくっついて摩擦抵抗を増やすことを阻止するためです。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

なるほど、濡れていても熱に変わることで運動エネルギーを落としているのは変わらないわけですね。
ゴムの強度低下は類似の現象を経験されているということで納得できます。


雨天時のブレーキへの入力→ゴムにかかる圧力は比べ物にならないほど濡れていない時よりも高いので、表面強度の低下だけで収支が合うのかなという気がします。
つまり晴天時には問題にならないリムの当り面での切削が雨天時には大きな量になっていると。(摩擦熱が上がりにくい分圧力が増加しているから)
水による切削抵抗の低減も切削量の増加に働いているという推測はどうでしょう。
乾燥時のゴムを考えると摩擦で熱が一気に上がってゴムが柔らかくなり、金属表面に粘り着きやすい状態になっていると思われます。

雨の日のタイヤの減りはどうかと考えてみましたが、晴天時より極端に早く減るとは言えないようなので、どうかなと考えています。

お礼日時：2011/04/28 15:11