摩擦係数とは？静止摩擦係数と動摩擦係数の違い

摩擦係数とは、接触面に垂直に作用する垂直抗力に乗じる係数のことです。摩擦係数は物体の摩擦力を説明するために重要な係数で、大きく静止摩擦係数、動摩擦係数に分けられます。

この記事では、摩擦係数の成り立ちと一般法則について解説していきます。

はじめに押さえておきたいのは、摩擦係数は片方の材料だけで決まる固有値ではないということです。二つの表面の組み合わせに加え、荷重、速度、温湿度、接触時間、表面状態、摩耗履歴、試験機・治具などの条件によって変化する試験値です。異なる材料や装置の結果を比較する際は、試験条件をそろえる必要があります。

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摩擦力を説明するクーロンの法則

摩擦力は、15世紀にレオナルド・ダ・ヴィンチによって初めて定量化され、摩擦力には以下の特徴があることが経験的に明らかになりました。

１．摩擦力は垂直荷重に比例する

２．摩擦力は見掛けの面積によらない

その後、18世紀になるとフランスのC.A.クーロン(1736~1806年)によってより詳しく研究が進みました。「摩擦力Fは垂直荷重Wに比例する」という内容を数式で表すと以下の数式になります。

F=μW

この数式において、比例定数μのことを摩擦係数と呼びます。

さらに、摩擦係数には静止摩擦係数μsと動摩擦係数μkがあるとして、

３．最大静摩擦力μsは動摩擦力μkよりも大きい

４．動摩擦力μkは速度によらず一定である

という法則を導くことにも成功しました。これをクーロンの法則と言います。

なお、クーロンの法則は摩擦現象を単純化した近似モデルであり、多くの乾燥した剛体同士で見られる傾向を整理したものです。樹脂、ゴム、フィルム、粘着材料、塗膜、潤滑面などでは、速度、荷重、接触面積、時間、温湿度への依存が現れることがあり、すべての材料に成立する普遍法則ではない点に注意が必要です。

静止摩擦係数と動摩擦係数の違い

静止摩擦係数とは、物体が止まっている状態のときの摩擦係数で、物体を静止した状態から動かすときにかかる摩擦力を説明するときに使われます。

動摩擦係数とは、物体が動き出した後の摩擦係数のことで、動いている物体にかかる摩擦力を説明するときに使われます。

多くの乾燥した材料の組み合わせでは、「最大静止摩擦力は動摩擦力よりも大きい」、すなわち静止摩擦係数が動摩擦係数より大きくなる傾向があります。

μs > μk

このことは、止まっている物体を動かし始めるときよりも、動いている物体を動かし続けるときの方が、摩擦力が小さいことを意味します。ただし、材料の粘弾性、表面処理、潤滑状態、摺動速度などによっては、この関係が成立しない場合があります。

また、クーロンの法則では「動摩擦力は速度によらず一定である」と近似されます。ただし、実際の材料では摩擦係数が速度によって変化することが多く、特に樹脂、ゴム、粘着材料、塗膜、潤滑面では速度条件の管理が重要です。

見掛けの接触面積と真実の接触面積

剛体同士の乾燥摩擦を単純化したクーロンの法則では、「摩擦力は見掛けの面積によらない」と近似されます。この近似が成り立つ範囲では、物体の面積が大きくなっても、荷重が同じである限り摩擦力は変わりません。

ここで、「見掛けの面積」と強調されている理由は、摩擦力は「見掛けの面積」ではなく、「真実の接触面積」に比例するからです。そして、「真実の接触面積」は、接触面にかかる荷重に比例します。

このことは、ドイツのホルムによって、軟鋼をサンプルにした実験で証明されました。ホルムは、軟鋼の荷重が2kgから500kgまで250倍に増えると、「真実の接触面積」は0.02平方ミリメートルが250倍の5平方ミリメートルまで増加することを示したのです。

一方、柔軟材料、粘着性材料、表面変形が大きい材料では、荷重に対して実接触面積や接触圧分布が単純に比例せず、見掛けの面積や荷重の影響が測定結果に現れることがあります。

摩擦係数の測定方法と注意点

摩擦摩耗試験を実施する目的の1つに摩擦係数の測定が挙げられます。摩擦係数は、他の物理定数と異なり、材料固有の値ではなく摩擦条件によって異なるものです。

したがって、摩擦係数を再現性高く計測するには、条件を同一にして試験を実施する必要があり、試験機にも高い精度が求められます。

静止摩擦係数の測定方法と注意点

静止摩擦係数の測定には、傾斜法、直線移動式のほか、ポータブル摩擦計による測定など、いくつかの測定方法があります。

例えば、HEIDONのTYPE10（写真）は、傾斜法によって静止摩擦係数を測定できます。

これは、下図から導かれる正接（tanθ）を求めることによって、静止摩擦係数μsを求めることができます。

静止摩擦係数は、測定のばらつきが非常に大きくなることが一般的です。実際にある実験をしたところ、静止摩擦係数のばらつきを示す標準偏差の値が、動摩擦係数と比較して一桁大きくなっていることがありました。

したがって、静止摩擦係数の測定時は、以下のことに注意して絶対値よりは傾向としての差を確認できるようにまとめていきます。

• 測定回数を増やす
• 同一場所で何回測定するかを決める
• データの最大値と最小値を除外する

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動摩擦係数の測定方法と注意点

動摩擦係数は、物体間の相対滑りを等速で行うことによって測定します。動摩擦係数は、ある時間間隔（距離間隔）の摩擦係数の平均値で求めるため、摩擦係数の変動があっても、平均値計算時にその変動は排除されやすい傾向があります。そのため、静止摩擦係数に比較してばらつきが小さくなります。

経験上、動摩擦係数は5回程度測定し、平均値で比較すれば十分に試料間の比較ができることがわかっています。動摩擦係数は同じであっても標準偏差σの違いによって、実際の滑り特性には違いがあることに注意が必要です。一般的には、動摩擦係数と標準偏差の両方が小さい試料ほど滑り易い試料と考えることができます。

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※2026年7月、技術内容を見直し、加筆修正しました。