물체의 진동과 공진현상 - 기구설계 이론 9

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

오늘은 스테이지 설계를 하면서

고려해야할 물체의 진동 관련하여

얘기해 보고자 합니다.

진동(Oscillation, Vibration)이란?

진동(Oscillation, Vibration)이라는 것은

물체가 일정한 위치, 방향, 모양으로

반복적으로 변화하는 현상을 말합니다.

일반적으로 진동(Oscillation, Vibration)은

외력에 의해서 발생하게되나, 

진동 중에 진동에너지가 감소하게되면서

변화하는 양 즉 진폭이 줄어들면서

진동(Oscillation, Vibration)은

감쇠되게 됩니다.

 

예를들어 기타를 치는 것은

진동(Oscillation, Vibration)현상을

이용한 원리입니다.

외력(손가락의 힘)으로 줄을 튕기게되면

줄은 진동에 의해서 소리를 내고

어느순간되면 줄의 흔들림은 멈추게 됩니다.

 

진동(Oscillation, Vibraiont)의 종류

진동의 종류에는

조화진동, 감쇠진동, 강제진동으로

3가지 종류가 있습니다.

 

1. 조화 진동 (Simple harmonic motion)

조화진동Simple harmonic motion)은

진동 중에서 가장 단순한 형상으로

물체가 일직성상에서 직선위를

반복하는 운동을 말합니다.

물체에 작용하는 힘이 없는 지점을

원점이라고하면

물체에 작용하는 복원력이

원점의 위치로 부터

변위에 비례하게 됩니다.

이때 원점 위치로 부터

변위가 가장 큰 거리를 진폭이라고합니다.

 

2. 감쇠진동 (Damped Oscillation)

진동하는 물체에

마찰력이나 외력이 없는 경우에는

물체는 일정한 진폭으로

영원히 운동하게 됩니다.

감쇠 진동(Damped Oscillation)은

마찰력이나 외력에 의하여

진폭이 시간이 지남에 따라 

감쇠하는 운동을 말합니다.

 

3. 강제진동 (Forced Oscillation)

강제진동 (Forced Oscillation)은

외력이 작용하는 운동의 모양입니다.

쉽게 말해서 진동하는 물체에 

외력이 주기적으로 가해지면서

기존에 진동하고 있는 운동과

추가로 발생하는 진동 운동이

합쳐져 일어나는 운동형상입니다.

이 경우 기존에 하고 있던

진동 운동은 에너지가 감소하게되면서

시간이 지나면서 감쇠되고,

결국은 외력으로 인해 발생한

강제 진동만 남게 됩니다.

 

가장 쉽게 이해 할 수 있는 현상이

"공진(Resonance)" 현상입니다.

 

공진(Resonance)은

특정한 진동수를 가진 물체가

같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때

진폭이 커지면서 에너지가 증가하여

강제 진동이 일어나는 현상입니다.

 

이때 물체가 가진 특정한 진동수를

고유 진동수(Natural Frequency)라고하며,

 

고유진동수(Natural Frequency)는

물체의 형상, 재질 및 구속되어 있는 형상이 

정해지게 되면 변하지 않는

물체가 가진 고유한 성질 입니다.

고유진동수(Natural Frequency)는

가장 낮은 값으로부터 시작하여

1차, 2차, 3차 .. 로 구분되며, 

특히, 1차 고유진동수(Natural Frequency)를

기본 고유진동수(Fundamental Natural Frequency)

라고 부릅니다.

1차 고유진동수(Natural Frequency)는

물체를 진동 시켰을 때

가장 쉽게 변형할 수 있는 모양으로 진동하는

진동수를 의미하며, 

높은 차수로 갈 수록

물체가 변형하기 어려운 모양으로 

진동 운동을 하게되는 진동 수를 말합니다

 

물체는 고유진동수(Natural Frequency)를

가지고 있는데,

여기에 외력이 가해지게되어

공진(Resonance)이 발생하게 된다면?

 

외력에 의해서 발생한

강제 진동 (Forced Oscillation)은

멈추지 않고 그 진폭이 점점 커지게되어 

물체가 파괴되는 현상이 발생하게 됩니다.

 

우리 실생활에서 발생했던 현상이

1940년 미국 워싱턴 주에서 발생한

타코마다리 붕괴사고 입니다.

이 현상은 아래 동영상을 참고하시기 바랍니다.

https://www.youtube.com/watch?v=k8sesNBMSm0

위 현상 이되에도 

1850년에 발생한 프랑스 앙제다리 붕괴사고도

공진(Resonance)에 의해 발생하였고,

 

우리나라에서는 2011년 서울

강변역에 위치한 테크노마트 사무동이

흔들렸던 것이 

건물 12층 스포츠센터에서 실시했던

태보운동의 공진(Resonance)이였습니다.

 

이처럼 공진(Resonance)라는

현상은 어마무시한 힘을지녀

커다란 건축물을 한순간에 

붕괴할 수 있는 현상입니다.

 

정밀 스테이지 설계할 때나

모터가 사용되는 시스템을 설계 시에는

모터는 항상 낮은 영역의 주파수를 

발생하고 있기 때문에

낮은 영역의 주파수를 

고유진동수(Natural Frequency)로

가지는 부품이

설계된 구조물 상에 있다면

공진 할 확률이 높아지기 때문에 

이부분을 고려해여 설계에 반영해야합니다.