감쇠(Damping) 현상 - 기구설계 이론 19

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

감쇠(Damping)

그네를 계속 밀어주지 않으면 멈추게 되는 것이 주변에서 흔히 볼 수 있는 감쇠현상으로, 이 현상은 총체적으로 물체가 지니고 있는 에너지의 손실을 수반하게 된다. 감쇠(Damping)가 너무 크면 물체는 외란을 받아도 진동을 일으키지 않는데, 진동을 발생시키지 않는 최소한의 감쇠(Damping) 크기를 임계감쇠(Critical Damping)라고 한다. 임계감쇠(Critical Damping)보다 더 큰 감쇠(Damping)을 과도감쇠(Overdamped Damping)라고 부르며, 문을 천천히 열고 닫기 위해 부착하는 댐퍼(Damper)는 이러한 과도감쇠(Overdamped Damping)의 한 예이다. 반대로 인계감쇠(Critical Damping)보다 낮은 감쇠(Damping)를 갖는 물체의 진동은 천천히 정지하게 된다.

감쇠(Damping)를 발생시키는 원인에는 여러가지가 있다 그 중 하나인 마찰(Friction)은 건조상태에서 발생하는 쿨롱 마찰력(Coulomb Frictional Force)에 의한 감쇠(Damping)효과로서 미끄러지는 두면 사이의 정전기력 때문에 생기며 운동에너지를 열로 소모시킨다. 윤활유나 자동차의 충격흡수 장치에 주입되는 유체에서 발생하는 에너지 감쇠현상을 점성감쇠(Viscous Damping)라고 한다. 이러한 감쇠는 유체의 유동과 수직방향으로의 유동의 상대적인 속도차이에 비례한다. 외부의 감쇠(Damping)작용이 없어도 움직이는 구조물 내부에는 에너지 손실이 발생할 수 있는데, 이것을 히스테리 감쇠(hysteretic Damping) 또는 구조감쇠 (Structural Damping)라고 부른다. 히스테리 감쇠(hysteretic Damping)는 물체가 변형되었다가 다시 원래 상태로 돌아가는 과정을 반복하면 고체 내의 결정 격자가 제멋대로 진동하거나 유체 내의 분자가 마음대로 움직이면서 운동에너지를 흡수하기 때문에 발생하는 현상이다.

또 다른 종류의 감쇠(Damping) 현상도 있다. 라디오와 같은 전파 수신기 내의 공명 전기회로에 교류가 들어왔다 나갔다 하면 전기저항이 생겨서 에너지가 감소하게된다. 복사감쇠(Radiation Damping)의 경우는 전가와 같이 전기를 티고 움직이는 입자의 진동에너지가 일단 전자기 에너지로 변환된 후 전파,적외선,가시광선의 형태로 방출된다. 자기감쇠(Magnetic Damping)는 코일이나 진동체에 붙어 있는 알루미늄판에서 발생한 와전류(Eddy Current)가 자석의 두극 사이를 흐를 때 운동에너지가 열로 소모되기 때문에 발생하는 현상이다.

 

감쇠계수 (Damping Coefficient)

고무줄의 한쪽 끝을 천정에 매달고 반대 편 끝에 금속으로 만든 구슬을 달아 고무줄을 어느정도 잡아당긴 후 살며시 놓는다고 가정해봅시다. 금속 구슬은 곧바로 아래 위로 진동하게 되지만 시간이 지날 수록 위 아래로 진동하는 폭이 줄어들면서 일정 시간이 경과하면 어느 지점에서 완전히 정지하게 될 것입니다. 지주 중력에 의해 금속 구슬은 지면으로 낮하하려는 운동에너지와 고무줄이 잡아당기는 탄성에너지만 존재하나면, 금속방울은 시간이 경과하여도 일정한 폭을 유지하면서 무한히 진동하여야 합니다. 하지만 그렇지 않은 이유는 감쇠(Damping)라 불리는 요인이 존재하기 때문입니다.

맨 처음 고무줄을 잡아당기면 금속 구슬은 일정량의 탄성에너지를 제공받게되고, 이 탄성에너지가 금속 구슬의 운동에너지로 전환되었다가 다시 탄성에너지로 전환되는 에너지 변환과정을 반복하면서 아래 위로 진동을 하게 됩니다. 감쇠가 없다면 금속 구슬이 가진 전체 에너지의 손실은 없기 때문에 무한히 진동하게 되겠지만, 실제로는 진동하는 과정에서 감쇠에 따른 에너지 손실이 계속해서 발생하게 됩니다. 즉, 처음 고무줄을 잡아당김으로써 제공받은 탄성에너지가 감쇠로 인해 모두 손실되는 시점에서 금속 구슬은 정지하게 됩니다. 여기서 감쇠는 공기의 저항과 고무 내부에 존재하는 점섬(Viscosity)에 의해 발생합니다.

감쇠계수란 물체의 운동을 방해하려는 물체의 단위 속도당의 힘으로 정의 됩니다. 감쇠의 종류에는 유체 감쇠라 불리는 점성감쇠(Viscous Damping), 마찰감쇠라 물리는 쿨룽감쇠(Coulomb Damping) 그리고 고체감쇠라 불리는 히스테리 감쇠 (Hysteric Damping)이 있습니다. 그리고 감쇠계수를 해당 물체의 임계감쇠(Critical Damping)로 나눈 상대적인 비를 감쇠비(Damping Ratio)로 정의하게 됩니다.

 

감쇠비 (Damping Ratio)

물체의 운동을 저지시키려는 단위 속도당의 힘으로 정의되는 감쇠(Damping)의 크기, 즉 감쇠계수(Damping Coefficient)를 해당 물체의 임계감쇠(Critical Damping)로 나눈 상대적인 비를 감쇠비로 정의하고 있습니다. 임계감쇠는 그 물체가 외부로부터 외란을 받았을 때 진동을 전혀 일으키지 않고 곧바로 정지상태로 진동을 억지시킬 수 있는 감소의 크기로 정의 됩니다. 따라서, 부품이나 조립품의 감쇠비가 1이나 그 이상이 되면 외부로부터 외란을 받더라도 전혀 진동을 일으키지 않고 정지상태로 안정화가 됩니다. 

감쇠비가 1인 경우를 임계감쇠 그리고 1이상인 경우를 과도감쇠라고 부릅니다. 그리고 감쇠비가 1보다 작은 경우를 과소감쇠라고 하고, 실제 대부분의 감쇠 진동은 과소감쇠에 해당됩니다. 과소감쇠의 경우에는 물체가 진동하는 폭이 시간과 더불어 점진적으로 감소하여 진동이 소멸됩니다. 건물이나 기계부품과 같은 대부분의 물체의 감쇠비는 0.05이하의 값이며, 자동차 완충기와 같은 감쇠 장치라 하더라도 0.3정도의 감쇠비를 나타냅니다.