KR200444614Y1 - 세차운동 실험기구 - Google Patents

Abstract

본 고안은 세차운동 실험기구에 관한 것으로, 정역회전이 가능한 구동모터와, 상기 구동모터에 의해 회전하는 회전판 및, 상기 구동모터와 회전판의 양쪽에 연결되어 측방향으로 돌출된 손잡이로 이루어진 회전발생기구와; 지면에 대해 고정 장착되는 고정판과, 상기 고정판에 대하여 자유로이 회전할 수 있게 설치된 회전판으로 이루어진 회전기구로 구성된다. 그리고 상기 회전발생기구와 회전기구가 연결대를 통하여 연결되어, 회전발생기구와 회전기구가 유니트화를 이루게 할 수도 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 고안의 세차운동 실험기구는 실험자가 회전기구 위에 선 상태에서 회전발생기구를 손에 잡고 회전발생기구의 모터를 가동시키면, 회전판이 회전할 때 발생하는 관성에 의해 회전기구 위에 선 실험자가 회전판과 함께 고정판에 대해 회전하게 되는 세차운동을 직접 몸으로 체험하거나, 상기 회전기구와 회전 발생기구를 연결대로 연결하여 작동시킴으로써 세차운동을 육안으로 확인할 수 있게 한다. 따라서, 본 고안에 따른 세차운동실험기구는 학교에서 물리 시간에 세차운동을 설명하는데 필요한 실험기구로도 사용할 수 있고 간단한 오락기구로도 사용할 수 있다.

세차운동, 회전발생기구, 회전대, 손잡이, 회전판, 유니트

Description

세차운동 실험기구{An instrument for experiment of precession}

본 고안은 세차운동을 실험하는데 사용하는 세차운동 실험기구에 관한 것으로, 특히 일반적으로 인식하기 어려운 세차운동을 실험자가 직점 몸으로 느끼거나 육안으로 확인할 수 있게 하는 한편, 오락기구도로 사용할 수 있게 한 세차운동 실험기구에 관한 것이다.

일반적으로 물리학에서 세차운동(歲差運動)이라 함은 강체(剛體)가 회전운동을 하고 있을 때, 외력의 모멘트가 가해지면 그 회전축이 주기운동(周期運動)을 하는 현상을 일컫는 것으로서, 전하는 물체가 이런 저리 움찔거리며 흔들리는 현상을 말한다. 세차운동을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 예는 팽이를 돌릴 때, 회전 속도가 줄면서 팽이의 축을 중심으로 한 팽이의 회전이 아닌 축 자체가 팽그르르 도는 것이다.

팽이뿐만 아니라 특정 축을 중심으로 자전하는 물체는 중력이 작용하는 지구상에서 모두 세차운동을 할 수 있다. 회전하는 물체(예를 들어 팽이)가 세차운동을 할 때, 회전축(팽이의 축)은 물체의 회전방향과 반대 방향으로 돌게 된다. 회전 속도가 세차운동 동안 일정하고, 작용하는 토크 또한 일정하다면, 축이 이동하는 속도는 토크와 각속도(회전축의 방향)와 계속 직각이 되며, 따라서 회전하는 축이 그리는 자취는 원뿔이 된다.

세차운동의 종류는 크게 달과 태양의 인력이 자전축을 변화시키기 때문에 적도가 변화하는 일월 세차(日月歲差)와 다른 행성의 섭동(攝動)에 의해 황도가 변화하는 행성 세차, 양자를 합성한 일반세차 등이 있다.

지구도 회전하는 강체로 볼 수 있기 때문에 세차운동이 생긴다. 지구는 극반지름에 비해 적도반지름이 조금 더 큰 회전 타원체 모양을 하고 있다.

거리가 멀어질수록 작아지는 중력의 특성 때문에 태양의 중력은 태양을 향한 쪽 벌지에서 더 크게 작용하게 된다. 지구의 자전축이 지구의 공전궤도면에서 기울어져 있기 때문에 하지나 동지 무렵에는 벌지에 작용하는 태양의 중력 차이가 지구를 공전궤도면에 수직으로 세우려는 힘(토크)으로 작용하게 된다.

회전하는 계에 토크가 작용하면 토크 방향의 각운동량을 더하게 된다. 지구의 경우에는 태양과 지구의 벌지 때문에 생기는 토크는 춘분점 방향과 평행하므로 지구의 회전축은 춘분점방향으로 기울게 된다. 그만큼 춘분점은 다시 이동하게 되어 같은 작용이 반복되므로 지구 자전축은 회전하게 되는 것이다.

지구는 열심히 회전운동(자전)을 하고 있다. 그것도 무중력 상에서 별다른 마찰 없이 운동을 하고 있으므로 이론대로라면 매년 같은 날 같은 시에 관측하는 별들은 같은 자리에 있어야 한다. 그런데 태양이 지구를 당기고 있기 때문에 지구 의 자전축이 원을 그리면서 아주 천천히 돌게 되어 별자리의 위치가 해마다 조금씩 달라지게 된다. 이러한 힘의 관계를 세차운동이라 하는데, 이상에서 설명한 바와 같이 세차운동은 통상 설명하는 과정도 어렵고 직접 느낄 수 있는 힘이 아니기 때문에 실험자들이 인식하기가 쉽지 않은 문제가 있다.

이에 본 고안은 상기한 바와 같은 세차운동을 쉽게 설명과 이해를 쉽게 할 수 있게 함과 더불어, 필요에 따라서는 재미난 오락기구로도 사용할 수 있게 한 세차운동 실험기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 세차운동 실험기구는, 정역회전이 가능한 구동모터와, 상기 구동모터에 의해 회전하는 회전판 및, 상기 구동모터와 회전판의 양쪽에 연결되어 측방향으로 돌출된 손잡이로 이루어진 회전발생기구와; 지면에 대해 고정 장착되는 고정판과, 상기 고정판에 대하여 자유로이 회전할 수 있게 설치된 회전판으로 이루어진 회전기구로 구성된다.

그리고 상기 회전발생기구와 회전기구가 연결대를 통하여 연결되어, 회전발생기구와 회전기구가 유니트화를 이루게 할 수도 있다.

이러한 구조로 이루어진 본 고안의 세차운동 실험기구는 실험자가 회전기구 위에 선 상태에서 회전발생기구를 손에 잡고 회전발생기구의 모터를 가동시키면, 회전판이 회전할 때 발생하는 관성에 의해 회전기구 위에 선 실험자가 회전판과 함께 고정판에 대해 회전하게 되는 세차운동을 직접 몸으로 체험하거나, 상기 회전기구와 회전 발생기구를 연결대로 연결하여 작동시킴으로써 세차운동을 육안으로 확인할 수 있게 한다.

이와 같이 본 고안에 따른 세차운동 실험기구는 실험자가 손으로 잡을 수 있으면서, 회전력을 발생하는 회전발생기구와 실험자가 자유로운 상태로 설 수 있는 회전판으로 이루어져 있기 때문에, 실험자가 회전발생기구와 회전판을 사용하여 간단하게 세차운동을 실험할 수 있다.

또한, 연결대를 사용하여 상기 회전발생기구와 회전기구를 연결한 상태에서, 상기 회전발생기구를 작동시키면 회전발생기구에서 발생한 관성력이 회전기구의 회전판으로 전달되어 회전하게 되므로, 이러한 현상을 육안으로 직접 관찰하여 세차운동을 보다 쉽게 이해하게 할 수가 있다.

또한, 회전발생기구와 회전기구로 이루어진 본 고안의 기구는 간단한 오락기구도로 사용할 수가 있다.

이하 본 고안을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도면 1은 본 고안에 따른 실험기구를 사용하여 실험자가 체험하고 있는 상태의 사시도이고, 도면 2는 본 고안에 따른 실험기구를 인형에 장착한 상태를 나타낸 사시도이다.

이들 도면에 도시하여 나타낸 바와 같이, 본 고안에 따른 실험기구는 정역회전이 가능한 구동모터(11)와, 상기 구동모터에 의해 회전하는 회전판(12) 및, 상기 구동모터(11)와 회전판(12)의 양쪽에 연결되어 측방향으로 돌출된 손잡이(13,14)로 이루어진 회전발생기구(10)와; 지면에 대해 고정 장착되는 고정판(21)과, 상기 고정판(21)에 대하여 자유로이 회전할 수 있게 설치된 회전판(22)으로 이루어진 회전기구(20)로 구성된다.

상기 구동모터(11)는 회전판(12)의 중심에 설치하거나, 구동모터(11)의 측면에 회전판(12)을 부착설치할 수가 있다.

그리고, 손잡이(13,14)는 구동모터(11) 및 회전판(12)의 측방으로 돌출되어 있으면서, 상기 구동모터(11)와 회전판(12)의 회전작동에 전혀 영향을 주지 않도록 지지되게 한다.

따라서, 양쪽으로 돌출된 손잡이(13,14)를 잡고 있는 상태에서도 내부의 구동모터(11)에 의해 회전판(12)이 자유롭게 회전 작동할 수 있게 한다.

상기 회전기구(20)는 지면에 거치 되는 고정판(21)에 대하여 회전판(22)이 회전축(23)을 통하여 자유롭게 회전할 수 있게 연결되어 있으면서, 상기 고정판(21)과 회전판(22) 사이에 베어링(24) 등이 설치되어 마찰이 적은 상태에서 부드럽게 회전할 수 있게 되어 있기 때문에, 위쪽에 배치된 회전판(22)은 외력을 받으면 아래쪽에 배치된 고정판(21)에 대하여 부드럽게 회전하게 된다.

이와 같이 구성된 본 고안의 실험기구는 먼저 회전발생기구(10)를 실험자(30) 또는 사용자가 손잡이(13,14)를 잡고, 회전기구(20)의 회전판(22) 위에 선 다음, 구동모터(11)를 가동시키면 세차운동에 의한 관성력이 실험자(30) 또는 사용자의 몸을 통하여 회전기구(20)의 회전판(21)으로 전달되어 회전판(22)과 함께 실험자(30)가 회전하게 된다.

한편, 상기 구동모터(11)는 정역회전이 가능한 모터로 이루어져 있기 때문에, 회전하는 중간에 구동모터(11)의 가동 방향을 바꾸면 실험자(30)의 몸을 통하여 전달되는 관성력에 의해 회전하는 회전판(22)의 회전방향도 바뀌게 된다.

따라서, 구동모터(11)의 회전 방향을 바꾸어 줌에 따라 회전판(22) 위에 선 실험자(30)의 회전방향도 달라지는 것이다.

도면 2는 사람을 대신하여 인형(31)을 사용하여 회전발생기구(10)와 회전기구(20)를 연결한 구조를 나타낸 것이고, 도면 3은 연결대(32)를 사용하여 회전발생기구(10)와 회전기구(20)를 연결한 구조를 나타낸 것이다.

이와 같이, 인형(31) 또는 연결대(32)를 사용하여 회전발생기구(10)와 회전기구(20)를 연결한 상태에서, 구동모터(11)에 전원을 인가하여 회전판(22)을 회전시키면, 도면 1의 경우에서와 마찬가지로 구동모터(11)의 정역회전 방향에 따라 회전판(22)이 좌측 또는 우측방향으로 회전하게 된다.

따라서, 실험자가 자신의 몸으로 직접 체험하지 않고 대신 인형(31)이나 연결대(32)를 사용함으로써, 세차운동의 발생 현상을 직접 육안으로 확인할 수가 있는 것이다.

한편, 본 고안에 따라 만들어진 회전발생기구(10)와 회전기구(20)를 세트로 하여 어린아이들에게 제공함으로써, 재미난 놀이기구로 사용하면서도 자연 현상의 하나인 세차운동을 몸으로 익히고 이해할 수가 있게 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 고안에 따른 실험기구를 사용하여 실험자가 체험하고 있는 상태의 사시도,

도 2는 본 고안에 따른 실험기구를 인형에 장착한 상태를 나타낸 사시도,

도 3은 본 고안에 따른 실험기구를 연결대를 사용하여 간단하게 유니트와 시킨 상태의 측면도이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 명칭*

10 - 회전발생기구 11 - 구동모터

12 - 회전판 13 - 손잡이

20 - 회전기구 21 - 고정판

22 - 회전판 23 - 회전축

24 - 베어링 30 - 사람

31 - 인형 32 - 연결대

Claims (2)

1. 삭제
2. 정역회전이 가능한 구동모터(11)와, 상기 구동모터에 의해 회전하는 회전판(12) 및, 상기 구동모터(11)와 회전판(12)의 양쪽에 연결되어 측방향으로 돌출된 손잡이(13)로 이루어진 회전발생기구(10)와; 지면에 대해 고정 장착되는 고정판(21)과, 상기 고정판(21)에 대하여 베어링(24)으로 상하 접촉하게 하여 자유로이 회전할 수 있게 설치된 회전판(22)으로 이루어진 회전기구(20)로 구성되고,

   상기 회전발생기구(10)와 회전기구(20)가 인형(31)을 통하여 연결되어, 회전발생기구(10)와 회전기구(20)가 유니트화 되며,

   상기 회전판(12)은 상기 구동모터(11)의 측면에 부착 설치되고,

   상기 회전판(22)은 회전축(23)을 통하여 자유롭게 회전할 수 있게 연결된 것을 특징으로 하는 세차운동 실험기구

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