KR101325732B1 - 각운동량 보존법칙 실험장치 - Google Patents

각운동량 보존법칙 실험장치 Download PDF

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KR101325732B1 KR1020120061154A KR20120061154A KR101325732B1 KR 101325732 B1 KR101325732 B1 KR 101325732B1 KR 1020120061154 A KR1020120061154 A KR 1020120061154A KR 20120061154 A KR20120061154 A KR 20120061154A KR 101325732 B1 KR101325732 B1 KR 101325732B1
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Abstract

본 발명은 각운동량 보존법칙 실험장치에 관한 것이다.
본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치는, 상부에 수직 방향으로 수직회전축이 설치되어 있고, 판상으로 형성된 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 수직회전축과 회전 가능하도록 연결되어 있고, 상부 양측에 수평회전축이 서로 일직선상을 이루면서 일체로 회전 가능하도록 연결되어 있는 수평회전부재와; 상기 수평회전부재의 양측에 고정되어 설치되어 있고, 원판형으로 형성되어 있으며, 외측 표면 둘레에 각도표시부가 형성되어 있는 각도표시부재와; 상기 각도표시부재의 외측면에 돌출되어 있되, 중앙측으로 가압할 경우 각도표시부재 표면 내측으로 삽입되도록 구성되어 있는 스토퍼장치와; 상기 각도표시부재의 외측면에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축과 연결되어 수평회전축과 함께 회전 가능하도록 이루어져 있으며, 수평회전축을 기준으로 편심되게 설치되어 있고, 회전하는 과정에서 상기 스토퍼장치에 걸려 회전이 멈추도록 상부에 스토퍼걸림부가 형성되어 있는 회전추와; 상기 수평회전축이 삽입되는 회전축삽입홀이 형성되어 있는 관통부와, 일측 끝단이 상기 관통부의 전면에 연결되어 있는 전면고정부와, 일측 끝단이 상기 관통부의 배면에 연결되어 있고, 전면고정부와 이격되어 이격공간부를 형성하는 배면고정부로 구성되어 있고, 전면고정부와 배면고정부의 타측을 연결하는 전후회전축이 설치되어 있는 회전판연결장치와; 중앙에 상기 회전판연결장치의 전후회전축이 관통하여 회전 가능하도록 구성되어 있으며, 원판형으로 형성되어 있는 회전판과; 상기 전면고정부 또는 배면고정부 중 어느 하나의 일측에 설치되어 있어 상기 회전판의 회전수를 측정하도록 구성되어 있으며, 일측에 회전수를 표시하는 디스플레이부가 형성되어 있는 타코메타와; 상기 회전판연결장치의 관통부에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축을 고정하도록 구성된 클램프장치;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 각운동량 보존법칙을 정량적으로 실험할 수 있으며, 관성모멘트, 회전수, 회전판의 각도, 회전판의 회전 방향에 따른 각운동량 보존법칙을 실험하도록 함으로써, 각운동량 보존법칙의 변수에 대한 폭넓은 이해를 도울 수 있게 되고, 특히, 수평회전축에 편심되도록 설치된 회전추는 사용자가 일정 각도로 회전된 상태로 잡고 있다가 놓게 되면 자중에 의해 회전하는데, 스토퍼장치를 이용하여 회전추가 진자운동하지 않으면서 고정되도록 하여 각운동량 보존법칙에 관한 실험을 보다 입증하기 용이해진다.

Description

각운동량 보존법칙 실험장치{Experiment apparatus for law of conservation of angular momentum}
본 발명은 교육 현장에서 각운동량 보존법칙에 대해 쉽고 흥미롭게 실험할 수 있도록 하고, 각운동량 보존에 대해 정량적인 실험을 가능하도록 하고, 회전 운동에서 중용한 개념인 관성모멘트에 대한 정성적, 정량적 이해를 도울 수 있도록 한, 각운동량 보존법칙 실험장치에 관한 것이다.
네이버 백과사전에서 각운동량 보존법칙(law of conservation of angular momentum)에 대한 설명을 찾아보면, '물체에 작용하는 회전력으로서 힘의 모멘트의 합이 0이라면, 그 물체의 각운동량은 시간이 지나도 달라지지 않는다. 이것을 각운동량보존법칙이라 한다. 크기가 있는 물체에 외부의 힘이 작용하지 않거나 작용하더라도 외부 힘의 모멘트의 합이 0이라면, 물체의 총각운동량은 보존된다. 외부의 힘이 작용하지 않는 한 회전운동을 하는 물체는 질량과 속도 및 반지름을 곱한 량이 항상 일정하다. 반지름이 작아지면 속도가 빨라지고, 반지름이 커지면 속도가 느려진다. 이 법칙은 운동량보존법칙과 더불어 역학(力學)의 주요 법칙 중의 하나이다.
예를 들면 실 끝에 돌을 매달아 돌리면서 실을 짧게 하면 회전속도가 빨라진다거나, 피겨스케이팅의 스핀에서 갑자기 양팔 사이를 좁히면 회전이 빨라진다는 것은 모든 회전체에 대하여 이 법칙이 성립하기 때문이다. 즉, 회전축으로부터의 거리가 짧아지는 대신 회전속도는 커진다.'고 설명되어 있다.
한편, 학교 교육 현장에서 운동량 보존 법칙에 대해서는 여러 가지 실험 기구가 개발되어 정량적인 실험이 이루어지고 있으나, 각운동량 보존 법칙은 이해하기도 어려울 뿐더러 학교 교육 현장에서 쉽게 실험해 볼 수 있는 실험장치가 없는 실정이다.
이에 일부 교사들이 자체적으로 학생들에게 쉽게 설명하기 위해 다양한 그림이나, 교구 등을 임의적으로 만들어 사용하고 있으나, 이는 교사의 준비 정도에 따라 학습 정도에 차이가 발생하게 된다.
한편, 각운동량을 분석하기 위한 특허 자료로는 "각운동 반복 횟수 카운터기"(한국 공개실용신안공보 제20-2008-0003217, 특허문헌 1)가 공개되어 있기는 하나, 이는 단순히 측량을 위한 기구일 뿐 학생들에게 각운동량 보존법칙에 대한 이해를 도울 수는 없는 것이다.
KR 20-2008-0003217 (2008.08.11)
본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치는 이처럼 각운동량 보존법칙을 정량적으로 실험할 수 있도록 하는 장치를 제공하려는 것이다.
아울러, 관성모멘트, 회전수, 회전판의 각도, 회전판의 회전 방향에 따른 각운동량 보존법칙을 실험하도록 함으로써, 각운동량 보존법칙의 변수에 대한 폭넓은 이해를 도울 수 있게 하려는 것이다.
특히, 수평회전축에 편심되도록 설치된 회전추는 사용자가 일정 각도로 회전된 상태로 잡고 있다가 놓게 되면 자중에 의해 회전하는데, 스토퍼장치를 이용하여 회전추가 진자운동하지 않으면서 고정되도록 하여 각운동량 보존법칙에 관한 실험을 보다 입증하기 용이케 하려는 것이다.
본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치는 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 상부에 수직 방향으로 수직회전축이 설치되어 있고, 판상으로 형성된 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 수직회전축과 회전 가능하도록 연결되어 있고, 상부 양측에 수평회전축이 서로 일직선상을 이루면서 일체로 회전 가능하도록 연결되어 있는 수평회전부재와; 상기 수평회전부재의 양측에 고정되어 설치되어 있고, 원판형으로 형성되어 있으며, 외측 표면 둘레에 각도표시부가 형성되어 있는 각도표시부재와; 상기 각도표시부재의 외측면에 돌출되어 있되, 중앙측으로 가압할 경우 각도표시부재 표면 내측으로 삽입되도록 구성되어 있는 스토퍼장치와; 상기 각도표시부재의 외측면에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축과 연결되어 수평회전축과 함께 회전 가능하도록 이루어져 있으며, 수평회전축을 기준으로 편심되게 설치되어 있고, 회전하는 과정에서 상기 스토퍼장치에 걸려 회전이 멈추도록 상부에 스토퍼걸림부가 형성되어 있는 회전추와; 상기 수평회전축이 삽입되는 회전축삽입홀이 형성되어 있는 관통부와, 일측 끝단이 상기 관통부의 전면에 연결되어 있는 전면고정부와, 일측 끝단이 상기 관통부의 배면에 연결되어 있고, 전면고정부와 이격되어 이격공간부를 형성하는 배면고정부로 구성되어 있고, 전면고정부와 배면고정부의 타측을 연결하는 전후회전축이 설치되어 있는 회전판연결장치와; 중앙에 상기 회전판연결장치의 전후회전축이 관통하여 회전 가능하도록 구성되어 있으며, 원판형으로 형성되어 있는 회전판과; 상기 전면고정부 또는 배면고정부 중 어느 하나의 일측에 설치되어 있어 상기 회전판의 회전수를 측정하도록 구성되어 있으며, 일측에 회전수를 표시하는 디스플레이부가 형성되어 있는 타코메타와; 상기 회전판연결장치의 관통부에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축을 고정하도록 구성된 클램프장치;를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 회전추는 저부에 상기 수평회전축의 상부 외주면을 감싸는 상부홈이 형성되어 있고, 상하로 관통된 제1볼트체결홀이 형성되어 있는 상부부재와; 상부에 상기 상부홈에 대응되는 위치에 수평회전축의 하부 외주면을 감싸도록 하부홈이 형성되어 있고, 상기 제1볼트체결홀과 일치되는 제2볼트체결홀이 형성되어 있는 하부부재와; 상기 제1볼트체결홀 및 제2볼트체결홀을 관통하여 체결되는 체결볼트;로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 수직회전축의 외주면, 수평회전축의 외주면, 전후회전축의 외주면에 베어링이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클램프장치는 수평회전축을 감싸는 암수 한 쌍의 클램프부재로 이루어져 있으며, 상기 한 쌍의 클램프부재는 볼트를 통해 가압하도록 구성되어 있어, 클램프장치는 수평회전축과 고정 해제가 가능하도록 구성되어 수직회전축과 회전판 중심과의 거리가 조절 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 각도표시부재에는 스토퍼삽입홀이 형성되어 있으며, 상기 스토퍼장치는, 상기 스토퍼삽입홀에 대응되는 위치에 각도표시부재의 내측면에 부착되어 있고, 스토퍼삽입홀과 일치되도록 보조홀이 형성되어 있는 스토퍼케이스와; 일측이 상기 보조홀에 삽입된 채 스토퍼케이스에 고정되어 있고, 내부에 스토퍼가이드홀이 형성되어 있는 고정볼트와; 상기 스토퍼가이드홀에 일측이 삽입되어 스토퍼가이드홀을 따라 이동 가능하도록 구성되어 있는 스토퍼와; 상기 스토퍼가이드홀에 삽입되어 있되, 일측은 스토퍼에 고정되어 있고, 타측은 고정볼트에 고정되어 있는 스프링;으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 각운동량 보존법칙을 정량적으로 실험할 수 있게 된다.
아울러, 관성모멘트, 회전수, 회전판의 각도, 회전판의 회전 방향에 따른 각운동량 보존법칙을 실험하도록 함으로써, 각운동량 보존법칙의 변수에 대한 폭넓은 이해를 도울 수 있게 된다.
특히, 수평회전축에 편심되도록 설치된 회전추는 사용자가 일정 각도로 회전된 상태로 잡고 있다가 놓게 되면 자중에 의해 회전하는데, 스토퍼장치를 이용하여 회전추가 진자운동하지 않으면서 고정되도록 하여 각운동량 보존법칙에 관한 실험을 보다 입증하기 용이해진다.
도 1은 본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명에서 스포터장치의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에서 회전추의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치의 정면을 나타낸 사진.
도 5는 본 발명에서 수평회전축의 설치 상태를 나타낸 사진.
도 6 및 도 7은 본 발명에서 스토퍼장치의 작동 예를 나타낸 사진.
도 8은 본 발명에서 회전추, 회전판연결장치 및 회전판의 작동 상태를 나타낸 사진.
도 8a는 본 발명에서 회전판을 들어올린 상태에서 회전판을 회전시킨 후 회전추를 놓았을 때의 작동 예를 순서대로 나타낸 사진.
도 9는 본 발명에서 회전추 및 회전판의 각도에 따른 실험 방법을 나타낸 사진.
도 10은 회전판의 회전 방향에 따른 각운동량의 변화 실험 방법을 나타낸 사진.
도 11은 두 회전판의 회전 방향에 따른 각운동량의 변화 실험 방법을 나타낸 사진.
도 12는 회전판과 수평회전부재 사이의 거리에 따른 각운동량 변화 실험 방법을 나타낸 사진.
도 13은 회전판의 회전과 수평회전부재의 회전 방향에 따른 각운동량 변화 실험 방법을 나타낸 사진.
이하, 본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치에 대하여 첨부된 도면을 통해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치는 크게 베이스플레이트(10), 수평회전부재(20), 각도표시부재(30), 스토퍼장치(40), 회전추(50), 회전판연결장치(60), 회전판(70), 타코메타(80), 클램프장치(90)로 구성되어 있다.
베이스플레이트(10)는 도시된 바와 같이 상부에 수직 방향으로 수직회전축(11)이 설치되어 있고, 원형의 판상으로 형성되어 있어 테이블이나 바닥 등에 설치되는 것이다.
수평회전부재(20)는 도시된 바와 같이 상기 베이스플레이트(10)의 수직회전축(11)과 회전 가능하도록 연결되어 있고, 상부 양측에 수평회전축(21)이 서로 일직선상을 이루면서 설치되어 있다.
이때, 두 수평회전축(21)은 수평회전부재(20)를 관통하여 설치되도록 구성할 수도 있다.
이때, 수평회전부재(20)에는 수평회전축(21)이 관통하도록 홀이 형성되고, 수평회전부재(20)는 이 홀을 관통하여 설치되거나, 이 홀을 이준으로 회전 가능하도록 연결되어 있다.
각도표시부재(30)는 도시된 바와 같이 상기 수평회전부재(20)의 양측에 고정되어 설치되어 있고, 원판형으로 형성되어 있으며, 외측 표면 둘레에 각도표시부(31)가 형성되어 있다.
각도표시부재(30)를 수평회전부재(20)에 고정되도록 연결되기 위해 도면을 살펴보면 수평회전부재(20)의 양측을 사각형 형상으로 돌출되도록 돌기부(22)가 형성되어 있고, 각도표시부재(30)는 돌기부(22)에 끼워맞춤되도록 돌기부(22) 형상에 대응되는 끼움홈(33)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.
각도표시부(31)는 정지된 상태에서 회전추(50)의 자중에 의해 회전판(70)이 바닥에 수직하게 설치되어 있는 상태를 기준으로 기준 각도가 표시되고, 기준 각도를 기준으로 변화된 각도가 표시되는 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
이때, 각도표시부(31)는 각도표시부재(30)의 둘레 측에 형성되어 사용자가 각도를 쉽게 확인하도록 함이 바람직하다.
스토퍼장치(40)는 도시된 바와 같이 상기 각도표시부재(30)의 외측면에 돌출되어 있되, 중앙측으로 가압할 경우 각도표시부재(30) 표면 내측으로 삽입되도록 구성되어 있다.
이러한 스토퍼장치(40)는 수평회전축(21)에 회전 가능하도록 연결되는 회전추(50)가 흔들거리지 않고 고정될 수 있게 하려는 것으로, 공지의 기술을 이용하여 다양한 방식으로 구성할 수 있다.
일예로, 도 2에 나타나 있는 바와 같이 상기 각도표시부재(30)에는 스토퍼삽입홀(32)이 형성되도록 구성되고,
스토퍼장치(40)는, 상기 스토퍼삽입홀(32)에 대응되는 위치에 두 각도표시부재(30)가 서로 바라보는 측인 내측면에 부착되어 있고, 스토퍼삽입홀(32)과 일치되도록 보조홀(42)이 형성되어 있는 스토퍼케이스(41)와,
일측이 상기 보조홀(42)에 삽입된 채 스토퍼케이스(41)에 고정되어 있고, 내부에 스토퍼가이드홀(43a)이 형성되어 있는 고정볼트(43)와,
상기 스토퍼가이드홀(43a)에 일측이 삽입되어 스토퍼가이드홀(43a)을 따라 이동 가능하도록 구성되어 있는 스토퍼(44)와;
상기 스토퍼가이드홀(43a)에 삽입되어 있되, 일측은 스토퍼(44)에 고정되어 있고, 타측은 고정볼트(43)에 고정되어 있는 스프링(45);으로 구성될 수 있다.
이러한 구성은 외측에서 스토퍼(44)를 누르게 되면 스토퍼(44)는 스토퍼삽입홀(32) 측으로 삽입되어 각도표시부재(30) 외주면에 돌출되지 않는 상태가 되어 회전추(50)의 회전에 방해를 하지 않는 상태가 되는 것이다.
아울러, 누름을 해제하게 되면 스토퍼(44)는 바깥쪽을 향해 튀어나오려 하게 되므로 회전추(50)의 회전을 방해하여 회전추(50)를 멈추게 하는 것이다.
도면을 살펴보면 스토퍼(44)의 끝단에 스프링(45)이 걸리는 돌기가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.
아울러, 도면에서 스프링(45)의 타측 끝단은 고정볼트(43)의 내부 끝단에 고정되어 있게 된다.
또, 고정볼트(43)는 도시된 바와 같이 볼트체결 방식에 의해 스토퍼케이스(41)에 고정될 수 있다.
이러한 스포터장치는 도면 및 상술한 설명에 의해 한정되는 것은 아니며, 스프링(45)을 이용한 다양한 누름식 버튼 기술 등을 적용하여 구성될 수 있다 할 것이다.
회전추(50)는 상기 각도표시부재(30)의 외측면에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축(21)과 연결되어 수평회전축(21)과 함께 회전 가능하도록 이루어져 있으며, 수평회전축(21)을 기준으로 편심되게 설치되어 있고, 회전하는 과정에서 상기 스토퍼장치(40)에 걸려 회전이 멈추도록 상부에 스토퍼걸림부(51)가 형성되어 있다.
스토퍼걸림부(51)는 회전추(50)의 상부 중앙을 기준으로 양측 상단 모서리 부분이 바깥족으로 "┛", "┗" 형상으로 형성된 부분이 된다.
이러한 구조에 의해, 회전추(50)는 평상시에는 자중에 의해 상단 중앙으로부터 하단 중앙까지 연결하는 선상이 수직회전축(11)과 평행한 상태가 되는 것이며, 이때는 도시된 바와 같이 회전추(50)의 상부 양측에 형성된 스토퍼걸림부(51)가 스토퍼(44)를 누르지 않는 상태가 되므로, 스토퍼(44)가 각도표시부재(30) 바깥쪽으로 돌출되어 회전추(50)는 회전할 수 없는 상황이 되는 것이다.
아울러, 스토퍼(44)를 누른 상태에서 회전추(50)를 사용자가 원하는 각도로 회전시켜 들어올린 상태에서 회전추(50)를 놓아버리게 되면 회전추(50)는 자중에 의해 회전하면서 원래의 위치로 돌아가게 되고, 이 과정에서 스토퍼(44)에 의해 걸려 진자운동과 같이 회전하지 않고 수직회전축(11)과 평행한 상태가 되는 것이다.
이때, 회전추(50)의 중량에 따른 변화를 자유롭게 측정할 수 있도록 하기 위하여 회전추(50)를 손쉽게 교체하여 사용할 수 있도록 구성될 수 있다.
이를 위해 도시된 바와 같이 상기 회전추(50)는, 저부에 상기 수평회전축(21)의 상부 외주면을 감싸는 상부홈(52a)이 형성되어 있고, 상하로 관통된 제1볼트체결홀(52b)이 형성되어 있는 상부부재(52)와; 상부에 상기 상부홈(52a)에 대응되는 위치에 수평회전축(21)의 하부 외주면을 감싸도록 하부홈(53a)이 형성되어 있고, 상기 제1볼트체결홀(52b)과 일치되는 제2볼트체결홀(53b)이 형성되어 있는 하부부재(53)와; 상기 제1볼트체결홀(52b) 및 제2볼트체결홀(53b)을 관통하여 체결되는 체결볼트(54);로 구성될 수 있다.
이러한 구성은 서로 중량이 다른 다수 개의 하부부재(53)를 구비하여 사용자가 실험 과정에서 중량이 서로 다른 하부부재(53)를 교체하여 사용함으로써 중량에 따른 변화를 손쉽게 파악할 수 있게 된다.
회전판연결장치(60)는 도시된 바와 같이 관통부(61), 전면고정부(62), 배면고정부(63) 및 전후회전축(64)으로 구성되어 있다.
관통부(61)는 도시된 바와 같이 상기 수평회전축(21)이 삽입되는 회전축삽입홀이 형성되어 있으며, 전면고정부(62)는 일측 끝단이 상기 관통부(61)의 전면에 연결되어 있으며, 배면고정부(63)는 일측 끝단이 상기 관통부(61)의 배면에 연결되어 있다.
아울러, 전면고정부(62)와 배면고정부(63)는 서로 이격되어 이격공간부(60a)를 형성하며, 전후회전축(64)은 상기 전면고정부(62)와 배면고정부(63)의 타측을 연결하여 설치되어 있다.
이때, 평면상에서 봤을 때 수평회전축(21)을 기준으로 전면고정부(62)와 배면고정부(63)는 서로 대칭이 되도록 설치되어 있다.
또, 관통부(61)에 전면고정부(62), 배면고정부(63)를 연결하는 방식은 도시된 바와 같이 볼팅 방식으로 체결할 수 있다.
회전판(70)은 도시된 바와 같이 중앙에 상기 회전판연결장치(60)의 전후회전축(64)이 관통하여 회전 가능하도록 구성되어 있으며, 원판형으로 형성되어 있다.
타코메타(80)는 상기 전면고정부(62) 또는 배면고정부(63) 중 어느 하나의 일측에 설치되어 있어 상기 회전판(70)의 회전수를 측정하도록 구성되어 있으며, 일측에 회전수를 표시하는 디스플레이부가 형성되어 있다.
이러한 타코메타(80)는 공지되어 있는 다양한 제품을 적용하여 구성될 수 있으며, 회전판(70)의 표면 일측에 홀을 형성하거나, 센서에 의해 리딩이 가능한 표지구가 형성되도록 하고, 이를 리딩하는 센서를 전면고정부(62)나 배면고정부(63)의 내측에 설치하여 구성되도록 하거나, 회전판(70)과 함께 회전하는 회전부재(71)를 전면고정부(62)나 배면고정부(63)의 바깥쪽에 설치하고, 회전부재(71) 일측에 홀을 형성하거나 센서에 의해 리딩이 가능한 표지구를 형성하고, 전면고정부(62)나 배면고정부(63)의 외측에 이를 리딩하는 센서를 설치하고, 센서와 전기적으로 연결되어 센서에 의해 파악된 회전수를 검출하는 회로를 도시된 바와 같이 전면고정부(62)나 배면고정부(63)에 설치하도록 구성할 수 있다.
아울러, 회로에는 액정과 같은 디스플레이부를 구성하여 사용자가 회전수를 파악하도록 구성할 수 있다.
이러한 타코메타(80)는 주지된 바와 같이 연산을 위한 중앙처리장치가 구비됨은 당연하다 할 것이다.
클램프장치(90)는 도시된 바와 같이 상기 회전판연결장치(60)의 관통부(61)에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축(21)을 고정하도록 구성되어 있다.
이에 따라 회전판연결장치(60)의 관통부(61)는 수평회전축(21)을 기준으로 자유회전하지 않게 되며, 클램프장치(90)에 의해 고정되어 수평회전축(21)과 함께 회전할 수 있게 된다.
이러한 클램프장치(90)는 일 실시예로, 수평회전축(21)을 감싸는 암수 한 쌍의 클램프부재(91)로 이루어져 있으며, 상기 한 쌍의 클램프부재(91)는 볼트를 통해 가압하도록 구성되어 있어, 클램프장치(90)는 수평회전축(21)과 고정 해제가 가능하도록 구성되어 수직회전축(11)과 회전판(70) 중심과의 거리가 조절 가능하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 있어서, 수직회전축(11), 수평회전축(21) 및 전후회전축(64)의 외주면에는 각각 베어링이 설치되어 저항을 최소화하는 것이 바람직하다.
이를 위해 수직회전축(11) 및 수평회전축(21)이 삽입되는 수평회전부재(20)의 내부에 도시된 베어링(20a)이 설치됨이 바람직하며, 전후회전축(64)과 회전판(70)의 사이에도 미도시된 베어링이 설치됨이 바람직하다.
이러한 베어링들은 마찰을 최소화하기 위한 것으로, 공지의 다양한 베어링을 설치하면 된다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치의 작용에 대해 설명하기로 한다.
먼저 회전판(70)이 지면과 이루는 각도에 따른 각운동량의 변화를 확인해 보려면, 도 8a에 나타난 바와 같이 회전판(70)을 임의의 각도로 들어올린 상태에서 회전시킨 다음 회전추(50)를 놓게 되면 회전추(50)의 자중에 의해 회전판(70)은 회전축, 수평회전축(21)과 함께 지면과 수직한 방향으로 회전하게 된다.
이때, 회전추(50)는 스토퍼(44)에 의해 진자운동을 하지 않게 되므로 보다 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다.
이 과정에서 회전판(70)의 수직방향의 각운동량이 사라지고 수평방향의 각운동량만 남게 되므로, 원래의 수직방향의 각운동량을 보존시키기 위하여 수직회전축(11)을 중심으로 회전이 일어나게 되며, 이 회전은 회전판(70)의 수직방향의 각운동량과 크기와 방향이 같아지게 된다.
본 발명의 실험장치를 이용하여 지면과 이루는 회전추(50)의 각도를 도 9에 나타난 바와 같이 다양하게 실험해 보면서 수직회전축(11)을 기준으로 한 회전 속도를 파악할 수 있게 된다.
또, 회전판(70)의 회전 방향에 따른 각운동량의 변화를 확인하려면 도 10에 나타난 바와 같이 회전판(70)을 왼쪽 오른쪽으로 회전시켜봄에 따라 수평회전부재(20)의 회전 방향을 파악할 수 있게 된다.
또한, 도 11에 나타난 바와 같이 두 회전판(70)의 회전 방향을 서로 같이 하거나 다르게 함으로써 각운동량의 증가 및 상쇄 효과에 따라 수평회전부재(20)의 회전 속도가 증가하거나 감속하여 멈추게 되는 실험을 해 볼 수도 있다.
아울러, 클램프장치(90)를 이용하여 회전판(70)의 위치를 도 12에 나타난 바와 같이 수평회전부재(20)로부터 멀리하거나 가까이 하면서 관성모멘트를 크게 하여 수평회전부재(20)의 회전 속도의 변화를 파악하여 관성모멘트에 따른 각운동량의 보존 정도를 파악할 수도 있다.
또, 회전판(70)을 회전시킨 상태에서 도 13에 나타난 바와 같이 수평회전부재(20)를 강제로 동일방향 또는 역방향으로 회전시켜 수평회전부재(20)의 회전방향에 따른 각운동량의 보존 정도를 파악할 수도 있게 된다.
이처럼 본 발명의 각운동량 보존법칙 실험장치는 각운동량 보존법칙을 규정짓는 다양한 변수에 대해 학생들로 하여금 간편하게 실험할 수 있게 되어 학습 효과 증진에 이바지할 수 있게 된다.
10 : 베이스플레이트 11 : 수직회전축
20 : 수평회전부재 20a : 베어링
21 : 수평회전축 22 : 돌기부
30 : 각도표시부재 31 : 각도표시부
32 : 스토퍼삽입홀 33 : 끼움홈
40 : 스토퍼장치 41 : 스토퍼케이스
42 : 보조홀 43 : 고정볼트
43a : 스토퍼가이드홀 44 : 스토퍼
45 : 스프링 50 : 회전추
51 : 스토퍼걸림부 52 : 상부부재
52a : 상부홈 52b : 제1볼트체결홀
53 : 하부부재 53a : 하부홈
53b : 제2볼트체결홀 54 : 체결볼트
60 : 회전판연결장치 60a : 이격공간부
61 : 관통부 62 : 전면고정부
63 : 배면고정부 64 : 전후회전축
70 : 회전판 71 : 회전부재
80 : 타코메타 90 : 클램프장치
91 : 클램프부재

Claims (5)

  1. 각운동량 보존법칙 실험장치에 있어서,
    상부에 수직 방향으로 수직회전축(11)이 설치되어 있고, 판상으로 형성된 베이스플레이트(10)와;
    상기 베이스플레이트(10)의 수직회전축(11)과 회전 가능하도록 연결되어 있고, 상부 양측에 수평회전축(21)이 서로 일직선상을 이루면서 일체로 회전 가능하도록 연결되어 있는 수평회전부재(20)와;
    상기 수평회전부재(20)의 양측에 고정되어 설치되어 있고, 원판형으로 형성되어 있으며, 외측 표면 둘레에 각도표시부(31)가 형성되어 있는 각도표시부재(30)와;
    상기 각도표시부재(30)의 외측면에 돌출되어 있되, 중앙측으로 가압할 경우 각도표시부재(30) 표면 내측으로 삽입되도록 구성되어 있는 스토퍼장치(40)와;
    상기 각도표시부재(30)의 외측면에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축(21)과 연결되어 수평회전축(21)과 함께 회전 가능하도록 이루어져 있으며, 수평회전축(21)을 기준으로 편심되게 설치되어 있고, 회전하는 과정에서 상기 스토퍼장치(40)에 걸려 회전이 멈추도록 상부에 스토퍼걸림부(51)가 형성되어 있는 회전추(50)와;
    상기 수평회전축(21)이 삽입되는 회전축삽입홀이 형성되어 있는 관통부(61)와, 일측 끝단이 상기 관통부(61)의 전면에 연결되어 있는 전면고정부(62)와, 일측 끝단이 상기 관통부(61)의 배면에 연결되어 있고, 전면고정부(62)와 이격되어 이격공간부(60a)를 형성하는 배면고정부(63)로 구성되어 있고, 전면고정부(62)와 배면고정부(63)의 타측을 연결하는 전후회전축(64)이 설치되어 있는 회전판연결장치(60)와;
    중앙에 상기 회전판연결장치(60)의 전후회전축(64)이 관통하여 회전 가능하도록 구성되어 있으며, 원판형으로 형성되어 있는 회전판(70)과;
    상기 전면고정부(62) 또는 배면고정부(63) 중 어느 하나의 일측에 설치되어 있어 상기 회전판(70)의 회전수를 측정하도록 구성되어 있으며, 일측에 회전수를 표시하는 디스플레이부가 형성되어 있는 타코메타(80)와;
    상기 회전판연결장치(60)의 관통부(61)에 설치되어 있으며, 상기 수평회전축(21)을 고정하도록 구성된 클램프장치(90);를 포함하여 구성된,
    각운동량 보존법칙 실험장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전추(50)는
    저부에 상기 수평회전축(21)의 상부 외주면을 감싸는 상부홈(52a)이 형성되어 있고, 상하로 관통된 제1볼트체결홀(52b)이 형성되어 있는 상부부재(52)와;
    상부에 상기 상부홈(52a)에 대응되는 위치에 수평회전축(21)의 하부 외주면을 감싸도록 하부홈(53a)이 형성되어 있고, 상기 제1볼트체결홀(52b)과 일치되는 제2볼트체결홀(53b)이 형성되어 있는 하부부재(53)와;
    상기 제1볼트체결홀(52b) 및 제2볼트체결홀(53b)을 관통하여 체결되는 체결볼트(54);로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    각운동량 보존법칙 실험장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수직회전축(11)의 외주면, 수평회전축(21)의 외주면, 전후회전축(64)의 외주면에 베어링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,
    각운동량 보존법칙 실험장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 클램프장치(90)는 수평회전축(21)을 감싸는 암수 한 쌍의 클램프부재(91)로 이루어져 있으며, 상기 한 쌍의 클램프부재(91)는 볼트를 통해 가압하도록 구성되어 있어,
    클램프장치(90)는 수평회전축(21)과 고정 해제가 가능하도록 구성되어 수직회전축(11)과 회전판(70) 중심과의 거리가 조절 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
    각운동량 보존법칙 실험장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 각도표시부재(30)에는 스토퍼삽입홀(32)이 형성되어 있으며,
    상기 스토퍼장치(40)는,
    상기 스토퍼삽입홀(32)에 대응되는 위치에 각도표시부재(30)의 내측면에 부착되어 있고, 스토퍼삽입홀(32)과 일치되도록 보조홀(42)이 형성되어 있는 스토퍼케이스(41)와;
    일측이 상기 보조홀(42)에 삽입된 채 스토퍼케이스(41)에 고정되어 있고, 내부에 스토퍼가이드홀(43a)이 형성되어 있는 고정볼트(43)와;
    상기 스토퍼가이드홀(43a)에 일측이 삽입되어 스토퍼가이드홀(43a)을 따라 이동 가능하도록 구성되어 있는 스토퍼(44)와;
    상기 스토퍼가이드홀(43a)에 삽입되어 있되, 일측은 스토퍼(44)에 고정되어 있고, 타측은 고정볼트(43)에 고정되어 있는 스프링(45);으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    각운동량 보존법칙 실험장치.
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