[과학사] 공진, 공명 사례조사
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- 목차
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1. 공명 현상의 정의
2. 공진 현상의 이해
3. 공진 현상의 정의
- 본문내용
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1. 공명 현상의 정의
공명(共鳴, 문화어: 껴울림)은 특정 진동수(주파수)에서 큰 진폭으로 진동하는 현상을 말한다. 이 때의 특정 진동수를 공명 진동수라고 하며, 공명 진동수에서는 작은 힘의 작용에도 큰 진폭 및 에너지를 전달할 수 있게 된다.
모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동하며 이 때 물체의 진동수를 고유 진동수라고 한다. 물체는 여러 개의 고유 진동수를 가질 수 있으며 고유 진동수와 같은 진동수의 외력이 주기적으로 전달되어 진폭이 크게 증가하는 현상을 공명현상이라고 한다. 이 때의 진동수는 공명 진동수가 된다.
진동은 역학계, 음향계, 광학계 등 많은 종류의 진동계에서 나타날 수 있으며, 이 중 전기·공학적 진동계에서의 공명을 공진(共振)이라고도 한다.
공명의 조건에서 진동체가 서로 연결되어 있는 경우에는 에너지의 교환이 쉽게 이루어진다.
※ 고유 진동수는 무엇일까?
* 고유진동수는 물체에 따라 다르다. 크기, 길이, 연결 상태 등 고유진동수를 다르게 하는 요소는 무수히 많다. 같은 기타 줄이라도 길이가 긴 것과 짧은 것은 고유진동수가 다르다. 길이가 같더라도 재질이나 두께에 따라 달라진다. 건물과 같은 큰 구조물이라면 부분별로 고유진동수가 일일이 셀 수 없을 정도로 다양하다. 김수봉 서울대 물리천문학부 교수는 “전체적으로 봤을 때 큰 고유진동수가 있고, 연결 구조에 따라서 부분적으로 곳곳에 고유진동수가 있기 때문에 같은 건물이라도 외부의 충격에 따라 공진하는 부분이 달라질 수 있다”고 설명했다.
* 고유진동수란 물체가 가지고 잇는 질량(m), 스프링 강성(k), 댐핑정도(c)에 의해서 결정되는 물체의 고유한 성질 이다. 정역학적으로는 단면이차 모멘트나 단면적, E값등이 여기에 해당되듯이 동역학적으로 구조물이 가지는 가장 대표적인 계수가 고유진동수 이다.
고유진동수가 중요한 것은 예를들어 교량이 가지는 고유주파수와 비슷한 주파수 대역의 하중이 가해지면 구조물은 공진현상을 일으키며 파괴 혹은 사용성에 문제가 발생한다. 따라서 설계 단계에서 예상되는 하중들의 가진주파수에서 구조물의 고유주파수가 근접하지 안게끔 설계하면 된다. 이때 가장 편리한 것이 자중을 증가시키는 방법이지만 현대적인 설계 개념에서는 잘 안쓰는 방법이다.
※ 진동 가속도란 무엇일까?
* 진동가속도란 물체가 하중에 의해 떨림이 발생할 때 발생하는 물체의 떨림 정도를 가속도로 표현한 것이다. 현재 구조물의 중요 정도 혹은 거주여부에 따라서 진동가속도 제한치를 정해놓고 있다.
이러한 공진현상, 고유주파수(진동수)등이 중요하게 대두 되는 이유는 현대 설계의 개념이 좀 더 가볍고 날렵하게 설계, 시공하는데 있다. 즉, 과거 육중하고 자중이 무거운 구조물에서는 이러한 진동문제가 발생하지 않거나 큰 영향을 미치지 못하지만 가볍고 날렵한(Slander)구조물의 경우는 이러한 동적 하중에 대한 영향을 크게 받는다. 따라서, 동역학적 해석 및 설계의 중요성이 많이 부각되는 것이다.
2. 공진 현상의 이해
조금 쉽게 설명하자면, 어느날 남자가 길을 가다가 굉장히 맘에 드는 여성을 만났다. 곁눈질로 보다가 서로 지나쳐 걸어어가는 순간, 다시 한 번 보고 싶어서 고개를 돌려 뒤돌아 보니, 마침 그 여성도 뭔가 통했는지 동시에 돌아보는 바람에 두 사람의 눈빛은 정통으로 마주치고 말았다.
삼류드라마에 나올법한 예제이긴 하지만 실제로 살다보면 그런 예제가 많다. 실제로 살면서 누군가와 강하게 교감을 하는 순간이 있을때가 있다. 소위 공명(共鳴 : 같이 울림) 한다고 말들 하는데, 원래 공명이란 것은 소리 진동에서 사용하는 개념이지만, 소리 역시 어떤 주파수를 가진 성분이다.
같은 주파수의 소리가 만나면 , 서로 공명하면서 더 커지게 되는, 그리고 전자기파는 주파수라는 성분을 내제하고 있다. 앞선 예제에서는 과학적으로는 설명할수 없지만, 그들이 남성, 여성으로써가진 한 개인이 가진 고유의 주파수가 공명하게되어 마주치게 됐을때 눈이 마주쳐 짜릿한 느낌을 받을수 있도록 하는게 아닐까 하는 예제를 들어 본것이다.
광범위 하게 공진의 의미를 정의하면 주파수는 선택적 특성을 가지는 현상을 의미한다.
또 한 가지의 예를 든다면 모든 RF 시스템은 각자 사용하는 주파수대역이 정해져있다. 그렇다면 모든 RF시스템은 자기가 사용하는 특정 주파수 성분만 교묘하게 골라내어 처리해야 하는데, 이렇게 주파수를 선택해야 하는 모든 경우에 공진의 개념이 적용될 수도 있다. 주파수 선택이라는 관점에서, RF에서의 공진은 매우 중요한 기능을 하는 현상이다. 다시금 공진을 좀 더 쉽게 정의를 해보자면 이렇다.
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