진동의 기초 이론
진동이란 무엇인가?
1) 변동 : 우리 주위에서 무엇이 변화하고 변동하고 있는 것을 생각 움직이는 것 : 그네, 시계 진자
눈에 보이지 않는 것 : TV의 화상 매초 30회 주사선이 진동
노면의 울퉁불퉁, 구름이나 바람에 의한 모래사장의 줄무늬 모양, 얼룩진 모양 - 이러한 패턴들은 물리화학의 운동에너지의 높이나 흐름과 관련
2) 지구상 에너지 분포와 이동 – 기상변화 대표적인 것 : 삼한사온, 제트기류, 삿갓 구름
고적운, 고층운 –상공의 바람이 기압변화의 전선에 따라 흐트러지는
대지의 에너지 -지진
특수한 진동 현상 : 지진은 지각의 단층면에서 미끄럼이나 공동부에서 함몰 등에 의해서 생기는 충격적인 변화가 파동이 되어 지각에 전해지는 것
지구의 상층부 지각의 이동이 원인 : -단층의 미끄럼에 의한 해양형 지진 - 지반이 함몰되어 생기는 직하형 지진 전파속도가 파른 종파가 밀어 올리는 것과 같은 진동(P파),
흔들흔들하며 옆 방향으로 흔들리는 진동(S파)을 느낀다.
인간활동과 욕구에 의한 진동-경제변동
일상생활에서 경제변동은 변화에 민감하게 반응한다.
대표적인 것 : 주가, 환율
장기적 : 임금, 물가, 노동력, 각종 투자, 수출입의 국제 지수, 국민총생산 등
생물의 리듬과 흔들림- 몸의 리듬
생물에는 체내에 생물시계가 있어 때를 판단하는 능력이 있다.
오랜 진화 과정에서 지구의 공전과 자전, 달의 공정에 의한 환경 변화에 따라 터득
식물의 경우 태양광이 주요하며 엽록소에서 광합성으로 인해 일조시간의 길이로 개화시기나 결실의 시기를 결정함
이와 같이 환경의 변화에 따라 행동이나 성장이 변화되는 것을 호르몬의 분비와 신경계의 반응 때문이다. 단, 식물은 신경계가 없기 때문에 호르몬의 분비가 성장의 촉진과 억제 변화를 조절 인간의 경우도 1개월 ~ 1년, 짧게는 하루 이하의 주기적인 특징의 활동을 한다.
체온의 변화나 혈압의 변화, 지성, 감성, 식욕, 졸음의 변화 등
리듬은 출생하는 순간부터 시작하여 일생 동안 변하지 않는다.
리듬이 바뀌는 시점은 불안정할 때, 이때는 통계적으로 사고, 실패, 불행한 일이 많이 발생된다는 보고가 있다.
자연의 산들바람, 해안의 파도소리, 개천의 시냇물 소리를 들으면 기분이 무척 좋아지는데 이것도 일상에서 느낄 수 있는 진동현상이다.
많은 사람에게 호감을 주는 음악의 경우 음향파워와 진동수를 조사해보면 1/f 흔들림을 알 수 있음.
생활의 쾌적감을 추구하는 가전제품, 선풍기 회전수, 안마기의 구동제어, 에어컨, 석유 및 팬 히터 등 조작 또는 동적 거동을 제어한다.
1/f 흔들림 진동수를 가지면 쾌적감을 느끼는 가?
- 특성 뇌파, 즉 알파 파의 발생, 심장 박동수와 같은 진동수
신체 진동으로 인해 문제가 되는 것은 교통기관에 의한 멀미이다.
교통기관의 진동수와 내장이 흔들리는 진동수가 가까울 때 진동이 커져 신경이 자극을 받아 생긴다.
몸이나 피부에 느껴지는 진동
우리가 몸에 진동을 느끼는 경우 자동차나 지하철을 탔을 때, 자갈길, 도로나 철도의 이음매를 지날 때 강하게 느낀다.
- 급발진, 급브레이크 또는 약간 속도가 변화할 때 - 좌우로 회전할 때 진동을 느낀다.
인간의 진동 모델
피부를 통해 전해지는 힘으로
전동공구나 전기면도기, 안마기 통해 전해지는 진동으로 주로 압력감각에 의해 감지된다.
공기압의 변동- 소리
우리가 소리로 인식할 수 있는 것은 공기압력의 변동이다.
대중의 음성, 음악, 동물의 울음소리, 바람소리, 기계소리 등
소음 중에서 특히 싫은 소리라고 강하게 느껴지는 경우는 그림19와 같이
여러 가지 진동수의 소리 중에서 특정한 몇 개의 매우 강한 성분이 들어 있는 경우가 많다.
특정한 강한 음의 성분은 음의 세기로 5dB이상이 되면 눈에 띄게 나타난다.
진동을 지속시키는 관성·복원성
진동하는 것은 어떤 움직이려고 하는 것과 변화를 원상태로 되돌리려는 것이 있으며, 이것의 상호작용으로 인해 진동이 계속된다.
움직이려고 하는 것은 운동에너지를 가지며 여기에는 관성, 즉 움직이고 있으면 계속 움직이려고 하고 정지하고 있으면 계속 정지하고 있으려는 성질을 갖는다.
지하철 또는 자동차가 출발하거나 정지하려고 할 때에 몸이 움직이는 것도 관성에 의한 것이다.
관성을 나타내는 것
차를 마실 때 차의 잎이나 줄기가 떠 있으면 입으로 불거나 찻잔을 돌리는 등 떨어뜨리려 애쓰지만 좀처럼 되지 않는다.
이는 뜨거운 물에는 관성은 있으나 점성이 거의 없어서 차의 잎이 자유롭게 움직이기 때문이다.
이럴 때 관성을 역으로 이용하면 간단하게 차의 잎이나 줄기를 피해 차를 마실 수 있다. 회전하지 않으려는 물의 관성을 이용하여 마시는 사람이 몸을 돌려서 옆으로 향한 자세로 마시면, 차의 잎이나 줄기가 원위치에 멈추어 있으므로 그것을 피해 마실 수 있다.
관성의 다른 예로는 계절의 온도 변화로서 하지나 동지를 지나면서 더워지거나 추워지게 된다. 이것은 지구 표면에는 열을 흡수하는 능력이 있어 여름에 저장된 열이 하지 이후에 남기 때문에 7~8월이 가장 기온이 높게 되고, 겨울에는 방출하는 열에 의해 동지 이후 1~2월에 기온이 더 내려간다.
이와 같이 열에너지든, 운동에너지든 간에 에너지를 축적하는 능력에 의해 원상태를 유지하고자 하는 특성을 관성이라고 한다.
복원성을 나타내는 것
복원성이란 에너지를 보존할 수 있는 또 하나의 성질로, 원상태로 되돌아 가기 위한 에너지를 말한다.
늘어나거나 오므라드는 용수철, 공기와 같은 가스도 압축되거나 잡아 늘렸을 때 용수철과 같은 작용을 한다.
복원성의 좋은 예로 진자운동이 있다. 이 경우 복원성을 나타내는 것은 지구의 중력이다.
진자의 위치가 올라가면 공에 중력장의 위치에너지가 축적되고, 내려가면 그것이 방출되어 공의 운동에너지로 변한다. 이때 용수철과 같은 복원성이 생기게 되는데, 진자의 경우에는 공이 갖는 운동에너지와 중력장의 위치에너지가 서로 반복
교환되면서 진동이 계속된다.
외력의 작용
진동이 일어나는 곳에는 외부로부터 작용하는 힘이 있다. 이러한 외력에는 연속적으로 작용하는 것, 단발적으로 작용하는 것, 에너지가 축적된 상태를 방출하는 원인이 되는 것 등이 있다.
1. 회전체나 모터의 진동
우리가 접할 수 있는 기계 진동으로 가장 흔한 것이 교통기관이다.
그 다음이 회전체의 진동이다.
녹음기, 전기면도기, 전동공구, 선풍기 팬, 모터를 가진 가전제품 등 이 밖에도 볼 베어링에서 나오는 진동이나 임펠러 또는 기어 등으로 인한 진동 등이 있다.
지진 또는 바람의 외력
지진의 에너지 크기는 매그니튜드(magnitude) 라는 단위로 표시한다.
지진의 진동수 성분은 지진을 전달하는 지표면이나 지반특성에 따라 달라진다.
지반이 약한 곳은 지진의 진동수가 낮아져서 0.5~5Hz 정도의 범위에 진동이 많고 지반이 단단한 경우는 그와 다르다. 그림은 지표면의 특성이 그대로 나타난 경우 이며, 집이나 빌딩 안에 있을 때 발생하는 경우와 약간 다른데, 이는 지반으로 들어오는 지진파가 건물이라고 하는 필터를 통해 들어오기 때문이다.
바람의 진동외력에 대하여 살펴보면
일반적으로 풍압이나 풍속의 큰 변화의 주기가 10초 이상 긴 것으로, 그 속에는 작은 변화가 겹쳐져 그림과 같은 시간 파형이 되는 경우가 많다.
이와 같은 변동은 지역적인 것으로 지구 규모의 공기나 산 또는 섬 등의 지형에 의한 흐름에 의하여 다른 형태로 나타난다. 바람의 외력은 고층빌딩이나, 타워, 교량 등의 건축물, 전선 등에 영향을 미친다.
지표면에 전달되는 상시미동
우리가 생활하고 있는 지구의 표면에는 항상 작은 진동이 일어나고 있다.
장소에 따라서 크기는 다르지만 0.1~100마이크로미터 정도, 랜덤한 물결모양, 진동의 주기가 0.05~2초 정도 상시 미동이고, 수직방향과 수평방향 대해서는 지면특성에 따라 다른 진동이 된다.
이러한 상시 미동의 원인은 자연바람으로써 바람, 비, 하천의 흐름, 화산활동 등이나 인공현상인 기계진동, 자동차나 지하철의 등의 교통진동, 건설공사의 진동 등
전자현미경과 같은 정밀기계를 사용할 때나 반도체 제조장비와 같은 초미세가공 할 때는 상시미동에 주의 해야 한다.
상시미동의 진동은 교량의 진동특성을 조사한다.
노면으로 부터의 작용 보행진동 및 주행진동
자동차로 주행 할 때도 여러 가지 형태로 진동을 느낄 수 있다.
좌석, 짐칸 등 위치에 따라 타고 있는 사람들 또는 화물에 작용하는 외력이 전혀 다르기 때문이다.
또한 주행하는 노면에 따라 기본적으로 진동하는 외력이 전혀 다르기 때문이다.
포장도로, 자갈길, 벨지움로드 등 노면의 성질에 따라 서로 다른 연속적 변화, 그리고 노면에 생긴 오목하고 볼록함, 노면의 이음새, 건널목의 레일 등 갑자기 나타나는 변화, 이들이 주행하는 자동차의 속도에 따라서 여러 가지 형태의 진동외력으로써 작동한다.
자동차에는 출발하거나 정지, 좌우로 회전할 때의 가속도의 변화 등으로 그 흔들림에 따른 변화가 노면의 변화에 더해지게 된다.
자동차의 노면으로 부터 작용하는 진동외력은 승용창의 경우 아래 그림과 같다.
15Hz가 노면의 요철에 의한 것으로 주로 차륜의 흔들림에 의한다.
승용차의 좌석의 경우 최하 0.6G의 가속도가 되며, 트럭의 짐칸에서는 2~3G의 가속도가 된다.
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[그림 1.1] 지구의 자유진동
각각은 1 cycle에 소요된는 시간 및 진동형을 나타내고 있음
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[그림 1.2] 갈릴레오
근대 과학의 발전에 많은 공헌을 하였음. 특히 중력과 운동에 관한 연구에 실험과 수리해 석을 함께 사용하였으며, 일반적으로 근대역학과 실험물리학의 창시자로 알려져 있음
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[그림 1.3] Huygens
1657년에 Galileo에 의하여 규명된 동시성 진자의 원리를 시계에 응용하였음
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[그림 1.4] 동시성 진자의 원리를 이용한 시계
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[그림 1.5] 실생활에 사용되는 진동관련 제품
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[그림 1.6] 실생활 에 사용되는 진동
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