[기계] Damping (감쇠)

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 그네를 계속 밀어주지 않으면 결국에는 멈추게 된다. 왜 그럴까? 

 

 그네에서 자연적으로 멈추게 되는 현상을 구체적으로 설명하기 위하여 고무줄의 한쪽 끝을 천정에
매달고 반대 편 끝에 금속 구슬을 달아 고무줄을 어느 정도 잡아 당긴 후 살며시 놓아보자.
금속 구슬이 지구 중력에 의해 지면으로 낙하하려는 운동에너지와 고무줄이 잡아 당기는
탄성에너지에만 영향을 받는다면, 금속 구슬은 시간이 경과하여도 일정한 폭을 유지하면서 무한히
진동해야 한다. 하지만 실제로 금속 구슬은 아래 위로 진동하지만, 시간이 지날수록 위 아래로 진동하는
폭이 줄어들면서 일정 시간이 경과하면 처음에 언급된 그네와 같이 어느 지점에서 완전히 정지하게 
된다. 그래서 그네를 계속 밀어주지 않거나, 고무줄에 추가적인 외력을 가하지 않으면 결국에는 멈추게 된다. 이와 같은 현상을 감쇠(damping)라고 하며, 이 현상은 총체적으로 물체가 지니고 있는 에너지의 손실 때문에 발생된다.
 

 구체적으로 살펴보면, 맨 처음 고무줄을 잡아 당기면 금속 구슬은 일정량의 탄성에너지를 제공받게
되고, 이 탄성에너지가 운동에너지로 전환되었다가 다시 탄성에너지로 전환되는 에너지 변환 과정을
반복하면서 아래 위로 진동하게 된다. 감쇠가 없다면 금속 구슬이 가진 전체 에너지의 손실은 없기
때문에 무한히 진동하게 되지만, 실제로는 진동하는 과정에서 감쇠에 따른 에너지 손실이 계속해서
발생하게 된다. 다시 말해, 처음 고무줄을 잡아 당김으로써 제공 받은 탄성에너지가 감쇠로 인해 모두
손실되는 시점에서 금속 구슬은 정지하게 된다.

 감쇠가 너무 크면 물체는 외란을 받아도 진동을 일으키지 않는데, 진동을 발생시키지 않는 최소한의
감쇠 크기를 임계감쇠(critical damping)라고 한다. 임계감쇠 보다 더 큰 감쇠를 과도감쇠(overdamped)
라고 부르며, 문을 천천히 열고 닫기 위해 부착하는 댐퍼(damper)는 이러한 과도감쇠의 한 예이다. 
반대로 임계감쇠보다 낮은 감쇠를 갖는 물체의 진동은 천천히 정지하게 된다.

 감쇠를 야기시키는 원인에는 여러 가지가 있다. 그 중 하나인 마찰(friction)은 건조상태에서 발생하는
쿨롱 마찰력(Coulomb frictional force)에 의한 감쇠효과로서, 미끄러지는 두 면 사이의 정전기력
때문에 생기며 운동에너지를 열로 소모시킨다. 윤활유나 자동차의 충격흡수 장치에 주입되는 유체에서
발생하는 에너지 감쇠현상을 점성감쇠(viscous damping)라고 한다. 이러한 감쇠는 유동과 수직한
방향으로의 유동의 상대적인 속도차이에 비례한다.

 별도의 감쇠장치가 없어도 움직이는 구조물 내부에는 자체적으로 에너지 손실이 발생할 수 있는데,
이것을 히스테리 감쇠(hysteretic damping), 또는 구조 감쇠(structural damping)라고 부른다. 
히스테리 감쇠는 물체가 변형되었다가 다시 원래 상태로 돌아가는 과정을 반복하면 고체 내 결정
격자가 제멋대로 진동하거나 유체 내 분자가 마음대로 움직이면서 운동에너지를 흡수하기 때문에
발생한다. 또 다른 종류의 감쇠현상도 있는데, 라디오와 같은 전파 수신기 내의 공명 전기회로에
교류가 들어왔다 나갔다 하면 전기저항이 생겨서 에너지가 감소한다.

 복사감쇠(radiation damping)의 경우는 전자와 같이 전기를 띠고 움직이는 입자의 진동에너지가 일단 전자기 에너지로 변환된 후 전파·적외선·가시광선의 형태로 방출된다. 자기감쇠(magnetic damping)는 코일이나 진동체에 붙어 있는 알루미늄 판에서 발생한 와전류(eddy current)가 자석의 두 극 사이를 흐를 때 운동에너지가 열로 소모되기 때문에 발생한다.

여기서 감쇠는 공기의 저항과 물질 내부에 존재하는 점성(viscosity)에 기인한다. 감쇠계수란, 물체의
운동을 방해하려는 물체의 단위 속도 당 힘으로 정의된다. 감쇠의 종류에는 유체감쇠라 불리는
점성감쇠(viscous damping), 마찰감쇠라 불리는 쿨롱감쇠(Coulomb damping), 그리고 고체감쇠라
불리는 히스테리 감쇠(hysteric damping)가 있다. 
그리고 감쇠계수를 해당 물체의 임계감쇠(critical damping)로 나눈 상대적인 비를
감쇠비(damping ratio)로 정의한다.

출처 : http://www.cyworld.com/riverboy_ahn/3531304