Vad är friktionskoefficienten?

Friktion är den värmealstrande resistiva kraften som genereras av två kontaktytors rörelse mot varandra. Det är indirekt produkten av en av de fyra kända fundamentala krafterna. Friktionen i ett system är omöjlig att förutbestämma strikt utifrån teoretiska första principer. Matematiskt inkluderar uttrycket för friktion en enda konstant som inkluderar alla orsaksfaktorer – en friktionskoefficient (COF), symboliserad med den grekiska bokstaven μ. Ekvationen skrivs helt enkelt fx = μxF, där fx definierar formen och måttet på friktionen, medan F är den vinkelräta eller ”normala” kraften som utövas av båda ytorna, den ena på den andra.

Alla friktionskoefficienter är dimensionslösa, skalära storheter; individuella bidragande faktorer motstår fullständig förklaring eller kvantifiering. Den grundläggande kraften som ansvarar för mest friktion är också den som möjliggör bildandet av kemiska bindningar – den elektrostatiska kraften. Vid första övervägande kan det tyckas att gravitationen är källan till friktionen, eftersom den nedåtriktade kraften på grund av gravitationen är källan till variabeln F. I själva verket är koefficienten dock ett mått på ”klibbigheten” mellan de två ytorna, och som bestäms på mikroskopisk nivå av de elektriska laddningarna som tenderar att förhindra rörelse genom att ”binda” ihop dem. Sådan bindning är en egenskap hos lim som används för att cementera två ytor tillsammans.

Att så är fallet illustreras väl av den moderna polymeren, polytetrafluoreten (PTFE). Mest känd under sitt varumärke DuPont™, Teflon®, uppvisar PTFE endast de mycket svagt attraktiva elektrostatiska krafterna i London-spridningen. Detta ger PTFE en friktionskoefficient bland de ”topp tre” kända – ungefär 0.05-0.10. Om friktionskoefficienten var gravitationsprodukten skulle ytornas kemi inte spela någon roll, och sådana ämnen som inte skulle vara lika ekonomiskt viktiga som de är.

Det finns sätt att sänka friktionen utan att i någon mening ändra de material som ytorna är gjorda av. Friktionskoefficienten för ett system kan effektivt minskas genom att tillhandahålla ett tunt lager av smörjmedel. Alternativt är det ofta möjligt att sänka friktionen genom att föra in en filt av gas mellan ytorna, vilket minskar den skenbara vikten av ytan ovanpå och eliminerar tillverkningsfel, såsom ytjämnhet. Förändringen i effektiv vikt sänker normalkraften, medan avsaknaden av brister ändrar friktionskoefficienten; båda sänker matematiskt den resulterande friktionskraften. Ingenjörer har använt gaslagerfenomenet för att utveckla svävare för resor över både land- och vattenytor.