진동의 분류
걷고 있을 때 진동은 어떤 것일까?
바닥의 진동이나 신발소리 등이 주택이나 사무실에서 문제가 되어
많은 민원과 분쟁이 되고 있다. 발이 착지할 때 충격을 재보면 그 가속도 는 어깨 위치에서 그림 28과 같이 된다. 이때 외력은 작용하고 있는 시간 이 0.4초 정도, 그 크기는 0.3G정도가 된다. 이 외력은 역으로 노면에 작 용하며, 건물의 바닥에 가해지는 힘이나 걸을 때의 신발소리와 관계되며, 유연한 육교가 흔들리는 데에도 영향을 미친다.
랜덤한 압력 파동- 연소진동 · 비등음
가스를 이용하여 물을 끓이는 경우 주전자에서 상당히 큰 소리가 나거나 비등음 (끓는 소리)이 들린다. 그러나 뚜껑을 연 냄비인 경우 에는 물이 비등해도 소리가 거의 안들린다.
이러한 소리는 연소 산화반응(산소화반응)에 의해 부분적으로 탄산 가스가 생성됨과 동시에 급격하게 온도가 상승하여 0~1Hz의 랜덤 한 압력파동을 일으켜 그 압력차가 연소실의 공간에 전달되거나 용 기의 구조계와 공진해서 특정한 소리의 성분이 나타나게 되는 것이 다. 비등하는 경우 비등에 의한 수증기의 생성과 그에 의한 수면거 동에 의해서 압력차가 발생하여 주전자의 밀폐된 공간의 공명이나 수증기의 흐름으로 토출구에서 공기의 흐트러짐이 생겨 큰 소리로 들리게 된다.
물체끼리 부딪쳐서 일어나는 충돌파
물체와 물체가 부딪쳤을 때 발생하는 가속도는 어느 정도 일까?
프레스나 말뚝박는 기계 그리고 높은 곳에서 물체 위에 다른 물체를 떨어 뜨렸을 때 등 이들이 충돌하는 순간에는 1,000G를 넘는 가속도가 발생한다.
사람과 사람의 충돌의 경우 아이스하키 선수들간의 충돌에는 10~12G,
럭비선수의 태클이나 씨름선수들간의 충돌에는 5~10G정도 가속도가 생긴다.
이때 발생하는 진동수 또는 충격펄스의 작용시간은 충돌하는 물체표면의 특성 에 따라 다르기 때문에 정확히 말할 수 없으나, 금속과 같은 딱딱한 물체 간에는 수 Khz 이상, 유연한 물체간에는 매우 낮은 진동의 주파수가 발생한다.
흐름의 박리로 인하여 발생하는 진동- 소용돌이
유체의 흐름 속에 물체를 놓으면 그 흐름은 물체에 따라서 흐름이나
작은 소용돌이를 만들며 흐르거나, 물체 뒤에 큰 소용돌이를 발생하기도 한다.
이것이 원인이 되어 소리가 발생하여 문제가 되거나 물체가 진동하여 곤란을 일으킬 때도 있다. 이때 발생하는 진동수는 흐름의 박리에 따른 작은 소용돌이 무리에서는 수백~수천 Hz 정도가 발생하며, 물체 뒤의 큰 소용돌이가 발생하는 경우에는 유속과 흐름의 정수(레이놀주수), 물체의 형상, 치수에 따라 결정되는 특정진동수가 된다.
진동의 원인이 없이도 발생하는 진동
칠판에 분필로 직선을 그을 때에 “탁탁탁…..” 하고 단속적인 점선이 그어 질 때가 있다(그림 29). 이때 분필을 잡는 손가락 끝에 진동이 일어남을 알 수 있는데, 이 경우에는 분필을 일정한 속도로 움직이고 있을 뿐, 특히 분필에 진동을 가하고 있는 것이 아니다. 이와 같이 진동을 야기시키는 외력이 없는 곳에 특정진동수의 진동이 발생하는 현상을 자려진동 이라고 한다. 분필, 손가락, 그리고 손의 근육으로 만들어지는 진동계에 의하여 일어나는 자려진동은 매우 안정하게 이어지게 된다.
이러한 현상은 분필과 칠판 사이에 존재하는 마찰력이 원인이며, 때때로 분필이 멈추어 버리거나 역으로 분필의 속도가 빨라지기도 한다. 이는 손에서 부터 손가락 끝의 근육에 에너지가 축적되어 멈추려고 하는 마찰력보다 크게 움직이려고
하는 상대력이 생겨서 분필이 미끄러지면서 축적된 에너지가 분필의 운동으로 변화하는 반복현상이 일어난다. 이것은 때때로 멈추거나 느려지거나 또는
미끄러지기 때문에 일반적으로 스틱 슬립이라고 하며, 서로 붙어 있는 2개의 면 사이에서 상대속도에 따라 마찰력이 변화하는 경우에 발생하기 쉬운
현상이다.
이 밖에도 주변에서 접할 수 있는 스틱 슬립이 많이 있다. 자동차의 경우 앞 유리 창의 와이퍼가 진동하면서 움직이고 소리를 내거나, 내리막길에 서 자동차의 클러치 부분에서 스틱 슬립현상이 나타나 차체가 심하게 진 동할 때가 있다. 자동차의 브레이크 부분의 진동으로 인하여 심하게 차륜 이 흔들리는 것을 경험하거나, 미세한 진폭의 진동을 몸으로 거의 느끼지 않고, “끽끽”하는 소리만 들릴 때도 있다.
또한, 브레이크의 데스크와 드럼, 또는 브레이크 판에 달라붙어 있는 브 레이크 슈의 고유진동수에 해당하는 진동소리가 난다.
그 밖에 자려진동은 유체가 관계하는 곳에 많이 발생한다. 즉 미풍에 떨리는 창의 블라인더가 있다. 적절한 풍속일 때 블라인드의 각도에 따 라 바람은 진동하고 있지 않은 데도 소리를 내면서 자려진동이 발생할 때가 있다. 이것은 블라인드 한 장의 얇은 판이 바람에 흔들려서 구부 러지거나 비틀어져 변형되었을 때, 바람의 에너지를 얻어 진동하려고 하는 반복현상에 의해 진동이 계속적으로 발생하는 것이며 이 현상을 플러터(flutter)라고 한다.
이 플러터와는 별개로 유체가 관련되는 자려진동이 많이 있다. 그 중에서도 자주 경험하는 것으로 흐름에 의해 발생한 소용돌이가 일으키는 진동이 있다.
물속의 수초가 물의 흐름에 의해 진동하고 있는 경우에도 수초 주변에는 소용돌이가 발생하고 있다. 강한 바람으로 전선이 “휴휴”하고 내는 소리, 화력 발전소와 같이 큰 보일러의 열교환기 배관에서 나는 소리도 물체 뒤의 흐름으로 인하여 발생하는 소용돌이에 의한 진동이 원인이다.
바람에 의한 진동으로 가장 유명한 예는 1940년 미국 위싱턴주 타코마 교량이 붕괴된 사건이다. 이 교량을 개통한지 불과 몇 개월 만에 초속 17~18m의 바람에 의해 크게 진동하며 붕괴되었다. 정확한 원인은 밝혀지지 않았지만, 교량의
후방에서 발생한 소용돌이에 의해 진동이 점점 커져 굽힘변형과 비틀림변형을 동반한 플러터 진동이 발생하여 이것이 큰 진동으로 발전한 것이 원인이라고 보고 있다.
충격과 파동에 의한 변화
물체와 물체가 충돌하면 부딪친 부분이 파손되는 경우가 종종 있다.
일반적으로 부딪쳤을 때 부딪친 부분에는 발생하는 변형에너지가 그 부분에서 다른 곳으로 전달되지 않을 때 부서져버린다. 이와 같이 변형에너지의 전파속도보다 충돌하는 변화속도가 클 때 매우 큰 에너지가 축적된다.
자동차의 경우를 보면 부딪친 부분이 유연하다면 자동차의 속도로 인한 운동에너지에 의해 많이 부서지게 된다. 그러나 부딪힌 부분이 견고하다면 그 견고함으로 인하여 에너지를 빨리 주변으로 전파시킬 수 있기 때문에 차체의 망가지는 부분이 적게 된다.
긴 시간 동안에 외력이 작용하면 전체적으로 변형이 생기는 거동이 발생하며, 이에 비해 아주 짧은 시간 동안 외력(충격)이 작용하면 국부적으로 변형이
생기는 거동이 발생한다. 충격을 받을 때 쿠션 역할을 하도록 완충재를 넣는데 과연 어떤 역할을 할까?
일반적으로 완충재는 발포재나 겔상의 물체 등 매우 유연한 재료로 되어 있다.
따라서 충돌 했을 때 유연하므로 그 부분의 변형에 의해 실제로는 전해지는 힘은 매우 작다. 즉 작용하는 힘과 접촉시간의 곱인 충격량이 작아져 유입되는 에너지가 작아지게 된다.
파동의 전파의 한 예로 화물차가 갑자기 출발하거나 변속할 때 발생하는 “덜커덩 덜커덩”하는 파동이 있다.
물체가 충돌할 때의 파동에너지를 이용한 것도 많은데, 집진기에서 집진판에 붙은 먼지를 털어내는 경우가 이에 해당한다.
우리 주변에서 접할 수 있는 충격파
고속으로 비행하는 제트기에서 발생하는 소리를 들어보는 사람은 많다.
공군기지 근처에서 목장에서 소나 말에게 소음 영향을 미치며 가끔 신문에 기사화 된다.
제트기의 속도가 음속을 넘으면 충격파가 발생하며, 이때 공기의 압력변화가 가청음이 되어 들리게 된다.
냇가나 하수구, 도로 옆의 배수구를 들 수 있다. 종종 도로가에 있는 U자 베수구의 수면에 울퉁불퉁하고 비스듬한 체크무늬를 볼 수 있는데 이 또한 충격파이다. 이는 표면에 전해지는 물결보다 U자 배수구의 물의 흐름이 빠르기 때문에 배수구 가장 자리에 있는 울퉁불퉁한 부분에서 충격파가 발생하는 것이다.
주방 싱크대의 수도꼭지에서 떨어진 물이 흘러내려가는 것을 자세히 보면 충격파의 기하학적인 무늬가 만들어지는 것을 볼 수 있다.
수도꼭지에서 떨어진 물은 거의 동시에 사방으로 얇은 막을 형성하면서 퍼져나간다. 이 물이 떨어져서 싱크대의 스테인레스면에 부딪쳤을 때 물의 표면에 물결이 발생하며, 이는 물의 흐름이 그 물결의 전파속도보다 빠르기 때문에 충격파가 되는 것이다.
물결의 전파속도는 매체의 단위체적의 강성과 질량비의 제곱근으로 나타낸다.
지하철의 차체 윗부분에 설치되어 전기를 끌어오는 가선(트롤리선)에서도 충격파가 발생함을 볼 수 있다. 즉 가선에서 횡파가 발생한다.
최근에는 가선을 강하게 당겨 횡파의 전파속도를 매우 크게하여 충격파의 발생을 제거한 일본의 신간선이나 프랑스의 TGV의 경우 시속 300km 이상의 운전이 가능하다.
