진동의 발생원인과 그 영향

 

같은 시간 간격으로 되풀이 되는 모든 운동을 주기 운동 혹은 조화 운동(harmonic motion)이라고 한다.

주기 운동을 하는 입자가 운동하는 경로마저 동일한 경우, 이 운동을 진동이라고 한다. 보통 진동은 자유진동(natural oscillation)과 강제진동(forced oscillation)의 두가지로 크게 구분 할 수 있다.

자유진동은 외부에서 작용하는 힘이 없이 일어나는 진동으로, 초기 변위나 속도(충격의 변화로 볼 수 있는)에 의하여 일어나게 된다. 강제진동은 외부에서 가해지는 힘을 받아서 일어나는 진동으로 주기적일 수도,

비주기적일 수도 불규칙적일 수도 있다. 주기진동이란 일정한 시간간격을 두고 반복하는 진동을 말하며 비 주기진동이나 불규칙 진동의 경우에는 그러한 반복성은 일어나지 않는다.

일반적으로 진동은 회전이나 왕복운동을 하는 물체들에서 불균형한 힘들과, 기계 부속품들 사이에서 발생되는 마찰, 회전 접속, 제작상의 공차 및 여유 부분에 의한 동력학적 영향으로 인해 발생된다.

이러한 진동은 때에 따라 직접적으로 사람이나 물건에 직접적으로 영향을 미칠 만큼 큰 경우도 있으나 때로는 무시할 마한 작은 진동이 발생되는 경우도 있다.

그러나 이렇게 무시할 만큼 작은 진동이라고 해도 공진이라는 현상으로 인해 더 큰 진동을 주는 경우가 발생한다.

앞서 진동의 크기는 진폭으로 정량화 된다고 언급했다. 강제 진동의 경우, 이 진동의 진폭은 원래 계의 자연 진동수와 강제력의 진동수에 크게 의존한다.

강제력의 진동수는 처음 진동수에서 시간이 지남에 따라 점차 감쇠하게 되고, 계의 자연 진동수에 가까워 질 수록 진동의 진폭은 점점 커져가고 두 진동수의 값이 일치하는 곳에서는 진폭은 최대가 된다.

이때를 공진(resonance)이라 하고, 이때 강제력의 진동수를 공진 진동수(resonance frequency, 공진 주파수)라고 한다.

이 공진에 대한 예는 주위 어디에서나 잘 볼 수 있다. 와인 잔의 가장자리 주위를 손가락으로 퉁길 때 와인 잔이 울린다던지, 오페라 가수가 특정 음으로 노래를 불러 와인 잔을 깨었다는 것은 공진의 좋은 예이다.

아래 그림은 어떻게 공진이 진동을 증폭시키는 가를 보여준다. 여기서 1mm의 자극은 보에서 20mm의 움직임을 유발시킨다. 물론 20mm란 값은 Quality factor로 알려진 Q값에 의해 정해지지만, 여하튼 이 값의 크기에 따라 제품은 파괴에 까지 이르게 된다.

 

 

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공진에 의한 피해 사례로는 1940년 미국 워싱턴 주의 Tacoma narrows bridge의 파괴Hot.gif (20655 bytes)를 들 수 있다. 다리가 건설되어 차량이 통행 한 지 불과 1주일 만에 근처에서 불어온 돌풍으로 인해 이 거대한 다리가 부서지게 된 것이다.

이렇게 진동은 우리에게 여러가지로 피해를 주는 경우도 있지만 반대로 이러한 진동의 공진 특성을 이용하여 유용한 일을 수행하는 경우도 있다. 예를 들면, 부품 전달 장치, 콘크리트 콤팩트(concrete compactor), 초음파 세척기, 착암기,

 pile driver 등의 장비 등은 의도적으로 진동을 유발시키고 있다. 또 우리가 다루는 진동 시험기는 생산물이나 부속품에 제어된 진동을 주어 진동에 대한 물리적 혹은 기능적인 반응 시험과 저항능력을 조사하는 데 광범위하게 쓰인다.