힘과 운동 개념과 관련된 거리 측정 기반의 운동마찰력 교수.학습 자료 개발

전성수(Seongsoo JEON) 학습자중심교과교육학회 2022 학습자중심교과교육연구 Vol.22 No.5

목적 이 연구는 물리학 교육에서 힘과 운동 개념과 관련된 거리 측정 기반의 운동마찰력 교수⋅학습 자료를 개발하는데 그 목적이 있다. 방법 이를 위하여 힘과 운동 개념 수준에서 운동마찰력을 구할 수 있는 물리식을 전개하여 거리 측정 기반의 운동마찰력 탐구 과정을 구성하고, 과학영재 사사과정 중학생들의 탐구 수행 결과를 통해 그 실효성을 검증하였다. 결과 이 연구를 통해 힘과 운동의 기초 역학 개념 수준에서 운동마찰력을 측정할 수 있는 물리식을 전개하였으며, 거리 측정 기반의 운동마찰력 교수⋅학습 과정을 스프링 슈터 제작하기, 초기 속도 구하기, 운동마찰력 구하기로 구분하여 제시하였다. 그리고 연구대상의 교수⋅학습 탐구 과정에서의 단계별 수행 결과들을 통해 거리 측정 기반의 운동마찰력 교수⋅학습 자료에 대한 교육적 실효성을 확인하였다. 결론 이러한 결과를 바탕으로 이 연구에서 개발된 거리 측정 기반의 운동마찰력 교수⋅학습 자료는 기존의 운동마찰력 측정 실험들의 일부 단점들을 보완할 수 있다. 주위에서 구하기 쉬운 재료를 사용하여 학습자 스스로 운동마찰력을 측정할 수 있는 학습 도구를 제작할 수 있으며, 운동하는 물체의 속도가 점점 느려지다가 멈추는 일반적인 마찰 현상에서 물체의 이동 거리를 측정한 자료만으로 물체의 운동마찰력을 구할 수 있는 탐구학습이 가능하다. 따라서 이 연구에서 개발한 교수⋅학습 자료는 학습자 스스로 학습 도구를 제작하고 관찰 현상의 정량적인 물리량을 탐구할 수 있는 자료로서 학습자들로 하여금 문제를 해결하기 위한 실제적인 탐구를 경험하는데 도움이 될 수 있을 것이다. Objectives The purpose of this study is to develop kinetic friction teaching materials based on distance measurement related to force and motion concepts in physics education. Methods The distance measurement-based kinetic friction inquiry process is guided by processing the physics equation that can obtain kinetic friction at the level of force and motion concept, and the effectiveness of the material was verified through the inquiry performance results of middle school students in the science gifted course. Results Through this study, a physics equation was developed that can measure kinetic friction at the level of the basic mechanics of force and motion. And the distance measurement-based kinetic friction inquiry process was divided into spring shooter making, initial velocity finding, and kinetic friction finding. In addition, the educational effectiveness of distance measurement-based kinetic friction teaching materials was confirmed through the results of the students step-by-step performance in the inquiry process. Conclusions Based on these results, the distance measurement-based kinetic friction teaching materials developed in this study could compensate for some of the shortcomings of the existing experiments. Using materials that are easily available around, it was possible to create a tool that allows learners to measure force of kinetic friction by themselves. And in the general friction phenomenon where the velocity of a moving object gradually slows down and then stops, it was possible to investigate the kinetic friction of an object only by measuring the moving distance of the object. Therefore, the teaching materials developed in this study are learning materials that can make tools and investigate quantitative physical quantities of observed phenomena. It can help learners to experience practical inquiry in planning and carrying out the process to solve problems.

변위 측정에 의한 스퍼 기어의 마찰 계수 추정과 하중 전달 해석

박찬일,주재엽,이상준 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.11

Friction of spur gears is the important factor to relate to the efficiency and the thermal generation. This work focuses on obtaining the friction coefficient at low speed. To do so, this study built the experimental apparatus and estimated the friction coefficient by the displacement measurement. The displacement was measured in both directions along the line of action and off the line of action by a noncontact eddy-current displacement sensor. The average friction coefficient of 0.7 at low speed was obtained by the displacement measurement. Using the friction coefficient, the normal force, friction force, and transmission error were analyzed. Owing to the effects of friction, the normal force, friction force, and transmission error in the gear approach increased more than those in the gear recess. 스퍼 기어의 마찰은 효율 및 열 발생과 관련되어 있는 중요한 요소이다. 이 연구는 스퍼 기어계의 저속에서 마찰 계수를 얻기 위해 실험 장치를 설계, 제작하여 비접촉 변위 센서로 마찰 계수를 추정하였다. 비접촉 변위 센서는 와전류식 변위 센서를 사용하였으며, 기어를 회전시키면서 작용 선과 작용선에 수직한 변위를 측정하였다. 와전류식 변위 센서의 측정 결과를 사용하여 저속에서 스퍼 기어의 평균 마찰 계수 0.7을 얻었다. 이 마찰 계수로 수직력, 마찰력, 전달 오차의 변화를 해석하였고, 마찰의 영향으로 접근 시가 퇴거 시보다 수직력, 마찰력 및 전달 오차가 상승하였다.

물리교육을 위한 운동마찰력 측정 방법의 제안

전성수,현동걸 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.11

Two new methods for measuring the kinetic frictional force were devised and are proposed in this study. One is a method using a spring shooter, and the other is a method using free fall. The important characteristic of these methods is their ability to obtain the kinetic frictional force by measuring the elastic potential energy of the spring shooter used to shoot the sample object and the distance the sample object moves, which is different from the existing methods for calculating the kinetic frictional force. In the existing methods, the kinetic frictional force are obtained by substituting the acceleration of the sample object calculated by using the distance and the times measured between the two positions that the sample object moves into the motion equation. The validity of the proposed methods in this study was verified by measuring the coefficient of the kinetic frictional force between a wood block and the phenol composite laminate plane. 이 연구에서 운동마찰력을 측정하는 새로운 두 가지 방법이 고안되고 제안되었다. 그 하나는 spring shooter를 사용하는 spring shooter 방법이며, 또 다른 하나는 자유낙하를 사용하는 자유낙하 방법이다. 이들 방법의 중요한 특징은 시료물체를 발사시킨 spring shooter의 탄성운동에너지와 시료물체의 운동한거리를 측정하여 운동마찰력을 구할 수 있다는 것으로, 기존의 마찰력 측정 방법들과는 다르다. 운동마찰력을 구하는 기존의 방법에서는 시료물체가 운동한 두 위치 사이의 거리와 시간을 측정하고, 이들로 부터가속도를 구하며, 운동방정식에 대입하여 운동마찰력이 구해진다. 이 연구에서 제안된 방법들의 타당성은 phenol composite laminate면과 나무블록의 면 사이에 작용하는 운동마찰력과 운동마찰계수의 측정을통하여 검증하였다.

제작된 로드셀을 이용한 마찰댐퍼의 볼트장력 측정

신혜민,이희두,신경재 한국강구조학회 2019 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.31 No.3

Friction damper is a concept that dissipates the energy that flows into a structure due to cyclic loading. It has a benefit that structures are reinforced simply with low cost, so widely used in seismic design. However, as the repetitive friction behavior of the frictional damper progresses, the bolt loosens, which leads to the loss of the sliding resistance capability, Thus the continuous maintenance of the bolt tension is necessary. In this paper, to analyze the tensile strength of the bolt due to the repeated force of the friction damper, a load cell considering economical efficiency was fabricated and a strain gage for bolt was used together. The number of bolts used in the damper and the introduced tension were used as parameters to analyze the friction coefficient, overall strength behavior, and bolt tension change. 마찰댐퍼는 반복하중에 의해 구조물에 유입되는 에너지를 소산시키는 개념으로 간단한 구조와 적은 비용이라는 장점이 있어 내진 설계에 많이 사용되고 있다. 그러나 마찰댐퍼는 반복적인 마찰거동이 진행될 수록 볼트의 풀림현상이 발생하고 이는 미끄럼저항능력의 손실로 이어지기 때문에 마찰댐퍼 설치 시 도입된 장력의 지속적인 관리가 필요하다. 본 논문에서는 마찰댐퍼의 반복가력에 따른 볼트의 장력변화를 분석하기 위해 경제성을 고려한 로드셀을 제작하였으며 볼트용 스트레인게이지를 함께 사용하였다. 댐퍼에 사용한 볼트의 개수, 도입장력을 변수로 하여 마찰계수, 전체 내력거동, 볼트장력변화에 대하여 분석하였다.

운동마찰력 측정을 위한 Spring shooter의 개발

전성수,현동걸 한국물리학회 2020 새물리 Vol.70 No.11

전성수와 현동걸(2019)은 시료물체를 발사시킨 장치의 탄성운동에너지와 시료물체의 운동한 거리로운동마찰력을 측정하는 spring shooter 방법을 제시하였다. 이 연구에서는 spring shooter 방법에서용수철의 탄성운동에너지를 정량적으로 이용하여 시료물체의 일정한 운동을 유발시킬 수 있는 spring shooter를 개발하는데 그 목적이 있다. 이 연구에서 개발된 실험 장치는 기존의 spring shooter의촉과 튜브와의 접촉에 의한 운동마찰력을 크게 줄이고, 실험에서 보다 유용하게 사용될 수 있는 기능을추가하고자 하였다. 실험 장치는 2개의 리테이너가 내장된 리니어 볼 부쉬, 직경 0.5 cm 이고 길이30 cm 이며 밀도 = 1:72 g/cm3 인 알루미늄 원형 막대로 된 촉, 길이 5 cm이고 직경 1 cm이며탄성계수 k = 4:312 N/m인 용수철 등으로 제작하였다. 이 실험 장치의 타당성은 자유낙하 방법에서의운동마찰력과 spring shooter 방법에서의 운동마찰력을 비교하는 방법을 통해 검증하였다. 이러한방법으로 검증된 운동마찰력의 오차율은 1.61%로 기존의 44.55%보다 크게 개선되었다 Jeon & Hyun (2019) proposed a spring shooter method for measuring the kinetic frictional force based on the elastic potential energy of the spring and the distance traveled by the sample object. The purpose of this study was to develop a spring shooter that could induce a constant motion of a sample object by using quantitatively the elastic potential energy of the spring in the spring shooter method. The experimental equipment developed in this study was intended to reduce greatly the kinetic frictional force caused by the contact between the conventional spring shooter’s shaft and the tube, and to add a function that could be used more usefully in the experiment. The experimental equipment was made of a linear ball bushing with two retainers, a shaft made of an aluminum round rod with a diameter of 0.5 cm and a length of 30 cm and a density of = 1:72 g/cm3, and a spring with a length of 5 cm and a diameter of 1 cm and a coefficient of elasticity of k = 4:312 N/m. The validity of this experimental equipment was verified by comparing the kinetic frictional force obtained using the free fall method with the kinetic frictional force obtained using the spring shooter method. The error rate of the kinetic frictional force, an verified by this method, was 1.61%, which was significantly improved from 44.55%.

차량 사고 분석에서 측정의 불확실성

한인환,박준범 대한교통학회 2010 大韓交通學會誌 Vol.28 No.3

Reconstruction analysis of traffic accident is done by analyzing diverse data such as the road, accident traces and damage on the automobile. Most data can be a variable in the process of analysis, and measurement error of the data occurs from the investigator, tool and the given environment. Therefore, accident analysis always has some risks of measurement uncertainty. This research quantify the uncertainty in traffic accident analysis by conducting repetitive measurement experiments for variables with high probability of uncertainly such as length (i.e. geometric structure of the road, tire marks) and coefficient of friction. This paper also suggests an analysis result for the uncertainly of photographic observation of automobile crush measurement. These statistical distributions can help determine appropriate ranges for the input data in order to estimate the accident reconstruction uncertainty. 교통사고의 재구성 해석은 도로와 사고흔적, 자동차 손상 등 다양한 자료들을 분석함으로서 이루어진다. 대부분의 자료들은 사고 해석에서 변수로 작용하며, 측정으로부터 구해지는 자료들은 조사자와 도구, 주어진 환경 등에 의해 측정 오차가 발생된다. 따라서 사고해석에서는 측정 오차에서 비롯되는 불확실성이 항상 존재한다. 본 연구는 불확실성이 존재할 가능성이 매우 높은 도로 기하구조와 타이어 흔적 등 길이와 마찰계수 등에 대해 반복 측정 실험을 함으로서 교통 사고해석에서의 불확실성을 정량화하였다. 또한 자동차 충돌 변형량의 사진 계측에 대한 불확실성에 대해서도 해석 결과를 제시하였다. 이러한 통계학적 분포들은 사고 재구성 불확실성을 추정하기 위해 입력 계수의 적절한 범위를 결정하는 것을 도울 수 있다.

왕복동식 압축기 저널 베어링부의 마찰손실 측정

박성환(Seonghwan Park),김영환(Younghwan Kim),박상신(Sang-Shin Park) 한국트라이볼로지학회 2010 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.26 No.4

A new test rig is presented to measure friction losses at journal bearings in a reciprocating compressor. This rig consists of a test bearing, torque sensor, driving motor and loading parts especially for vertical shaft. Friction losses are obtained by measuring torque between motor and test bearing. The experiments are carried out at several rotational speeds and temperatures. The test results are presented and discussed.

High-Performance Tracking Controller Design for Rotary Motion Control System

Youngduk Kim(김영덕),Su Hyeon Park(박수현),Seonghyun Ryu(류성현),Chul Ki Song(송철기),Ho Seong Lee(이호성) 한국기계가공학회 2021 한국기계가공학회지 Vol.20 No.11

A robust tracking controller design was developed for a rotary motion control system. The friction force versus the angular velocity was measured and modeled as a combination of linear and nonlinear components. By adding a model-based friction compensator to a nominal proportional–integral–derivative controller, it was possible to build a simulated control system model that agreed well with the experimental results. A zero-phase error tracking controller was selected as the feedforward tracking controller and implemented based on the estimated closed-loop transfer function. To provide robustness against external disturbances and modeling uncertainties, a disturbance observer was added in the position feedback loop. The performance improvement of the overall tracking controller structure was verified through simulations and experiments.

실무활용을 위한 Manning 조도계수 관계식의 결정

이종석,오지은,박영주,정재훈,Lee,Jong Seok,Oh,Gi Eun,Park,Young Joo,Jung,Jae Hoon 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.1

본 연구는 Manning 조도계수의 실무활용을 위해 자연하천 1,875개와 식생하천 739개를 합한 2,614개 현장실측자료를 사용해 회귀 분석에 의하여 관계식을 결정하였다. Box-Wishker 분석에 의한 현장자료의 Manning 조도계수 분포는 자연하천의 179개 모래 자료에서 0.004~0.151, 992개 자갈 자료에서 0.008~0.250, 651개 조약돌 자료에서 0.015~0.327, 53개 호박돌 자료에서 0.023~0.444로 나타났고, 식생하천의 281개 초본 자료에서 0.015~0.250, 150개 관목 자료에서 0.016~0.250, 308개 교목 자료에서 0.018~0.310으로 각각 나타났다. 중요한 경향은 조도계수와 유량, 마찰경사 및 상대 잠수비 간의 관계로부터 얻었다. 자연하천과 식생하천에 대한 Manning의 조도계수 관계식은 유량과 마찰경사를 함수로 하는 멱함수 형으로 유도되었고, 무차원 전단속도 관계식은 상대 잠수비 관계로부터 얻었다. 현장실측 Manning 조도계수의 분포와 이들 관계식은 수공 실무에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. This study is determined to use with the hydraulic engineering field of relationships for Manning roughness coefficient by the regression analyzing the field measurements of flow resistance data which consist of the total 2,614 rivers for 1,875 and for 793 data in natural and vegetated rivers. The measured distribution of Manning roughness coefficients by the Box-Whisker Plots show the values which ranges from 0.004~0.151 for 179 sand, 0.008~0.250 for 992 gravel, 0.015~0.327 for 651 cobble, 0.023~0.444 for 53 boulder in natural rivers, and also from 0.015~0.250 for 281 grass, 0.016~0.250 for 150 shrubs, 0.018~0.310 for 308 trees in vegetated rivers, respectively. Significant trends are obtained between Manning roughness coefficients and flow discharge, friction slope and relative submergence. The regression equations for Manning roughness coefficients derived as the power law form with a function of the flow discharge and the friction slope, and the equations for dimensionless shear velocity developed as a relation of the relative submergence in natural and vegetated rivers. Relationships of these semi-empirical and Manning roughness coefficients in field measurements can be useful for hydraulic engineering practice.

비접촉식 이미지 상관법을 이용한 이종재료 마찰교반용접부의 파단 위치 측정

홍경민(Kyung Min Hong),강영준(Young June Kang),고광수(Kwang Su Ko),최인영(In Young Choi),김성종(Seong Jong Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.신뢰성 No.-