[기계 진동학] 공진 현상의 원리와 예시

⦁ 진동의 기본 원리

모든 사물에 힘을 주면 복원력이 생긴다. 복원력 때문에 원래대로 되돌아오려는 성질이 있다. (강성(k) : 변형에 저항하는 성질) 하지만 운동을 계속하려는 관성(질량과 관계가 크다)의 성질도 남아있다. 예를 들어 자를 힘을 주어 튕기면 자가 위아래로 반복하는 모습을 볼 수 있다.

 

이는 힘에 의해 변형이 생기는 것에 반하여 복원력이 생기고, 또 힘을 받은 대로 운동을 계속하려는 성질이 함께 남아있다. 그래서 원래 형태를 지나서 올라가고 내려가고를 반복한다. 즉 관성과 강성의 상호작용이라고 이야기 할 수 있다. 실제 현상에서는 감쇠 때문에 진동이 줄어든다.

 

- 자유진동 : 어떤 물체가 일시적으로 충격을 받았을 때 일어난다. 자유진동이 일어나면 그 물체는 특정 진동수에 따라 진동하다가 서서히 멈춘다. 이 특정 진동수가 바로 물체의 고유진동수다.

 

- 강제진동 : 어떤 물체에 주기적으로 외력을 주었을 때 일어난다. 이때 물체는 외력이 일으키는 진동수에 따라 진동한다.

 

⦁ 공진현상

특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상이다. 모든 물체는 고유진동수를 갖고 있으며 이 고유진동수에 해당하는 전파나 파동을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 일반적으로는 진원지에서 멀어질수록 진동이 약해지지만, 공진현상이 일어나면 진원지에서 멀어질수록 오히려 진동이 강해진다.

 

⦁ 실생활 속 공진 사례

- 자기공명영상(MRI)촬영 장치는 물을 구성하는 수소 원자핵의 고유진동수와 똑같은 주파수의 진동을 일으켜 인체 내부를 촬영하는 장치. 진동을 극대화시켜서 잘 보이게 하게끔 한다.

 

- 라디오 주파수, TV 채널을 바꾸는 원리 : 각 방송국의 고유주파수와 일치하는 주파수를 선택해 방송을 들을 수 있다.

 

- 2011년 서울 강변역에 위치한 테크노마트 사무동이 흔들렸던 원인으로 건출 12층 스포츠센터에서 실시했던 태보운동의 공진이 원인으로 제기됐다. 대한건축학회와 테크노마트 건물주인 프라임산업은 2011년 7월 5일 이를 입증하기 위해 당시와 비슷한 수인 23명을 동원, 피트니스 센터에서 태보운동을 하는 공개시연을 통해 이 같은 사실을 설명했다.

 

즉, 건물 고유의 진동수가 태보운동의 진동수와 일치하는 공진현상이 진행되면서 진동 에너지가 증폭돼 흔들림이 나타났다는 것이다. 이러한 조사를 바탕으로 7월 19일 잠정결론을 내렸지만, 이 또한 논란이 많아 명확한 원인이 밝혀지지 않고 있어 이에 대한 불안감은 해소되지 못한 상태다.

 

- 1940년 미국 워싱턴주에서는 공진현상으로 인해 당시 세계에서 세 번째로 길었던 현수교(853m)인 타코마 다리가 붕괴되는 사고가 발생했다. 사고 당시 바람이 다리와 부딪히며 공진현상을 일으켰고 진동이 점차 커지면서 붕괴되었다.

 

하지만 실은 그게 아니라는 학설이 있다. 가 주기적 이어야하고 하모닉한(그래프로 치면 곡선이고 주기적이고) 힘이 필요하다. 그러나 바람은 하모닉하지 않다. 학회에서는 난류 소용돌이같이 일어난 현상 주장. 즉 이것은 공진과 상관없다.

 

⦁ 공진을 최소화 하는 법

진동수가 다르거나 엇박자로 진동하면 공진이 생기지 않기지 않게 하는 것이 최선이다. 그러나 일반적으로 재료에 따라 이상적인 가공속도가 정해져 있는 경우가 많아 작동속도의 변화를 통한 공진회피 방법은 적용이 어려운 경우가 많다.

 

또한  장비 제조 시 질량 불균일은 최대한 억제한 상태이며 장비의 작동을 위한 모터나 스핀들의 크기는 정해져있으므로  외력을 줄이는 것은 현실적으로 매우 힘들다. 따라서 고유진동수를 설계변경(강성 및 질량의 변화)을 통해 변화시켜 공진을 피하는 것이 가장 현실적인 개선안이다.