KR20060042475A - 단진자 및 공진 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 단진자 및 공진 실험장치는 베이스 부재와; 상기 베이스 부재에 지지되는 서포트 부재에 의해 지지되는 프레임과; 상기 프레임의 일측에 설치되는 복수개의 와이어 길이 조절수단과, 상기 와이어 길이 조절수단에 의해 길이 조절 가능한 각 와이어의 단부에 설치되는 제1진동추들과, 상기 단진자들이 설치된 프레임에 회동 가능하게 설치되며 상기 각 단진자들에 동시에 진동을 위한 외력을 가하는 회동판부재를 구비하여 된 단진자 실험부와; 상기 가이드 프레임의 타측에 수평상태로 설치되며 장력 조절수단에 의해 장력이 조절되는 지지선과, 상기 지지선에 소정의 간격으로 설치되며 적어도 한쌍의 동일한 와이어 길이를 가지는 제2진동추를 가진 공진 실험부를 포함한다.

진동추, 와이어, 단진자, 공진.

Description

단진자 및 공진 실험장치{experimentation apparatus of pendulums and resonance}

도 1은 본 발명에 따른 단지자 및 공진 실험장치를 나타내 보인 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 와이어 길이 조절수단을 나타내 보인 사시도,

도 3은 단지자 실험부를 발췌하여 도시한 사시도,

도 4는 공진 실험부를 나타내 보인 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10; 단진지 및 공진 실험장치.

16; 프레임

20; 단진자 운동실험부

30; 와이어 길이 조정수단

50;공진실험부

본 발명은 단진자 및 공진 실험장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 추의 무게 및 길이의 변화에 따른 단진자들의 운동변화와 공전을 가시화 시킬 수 있는 단 진자 및 공전 실험장치에 관한 것이다.

단진자는 길이가 변하지 않고, 질량을 무시할 수 있는 가는 실에 추를 달아 연직면(鉛直面) 안에서 진동시키는 진자를 말한다.

상기 단진자의 운동은 진폭이 아주 크지 않은 한 추의 왕복운동에 의한 단진동으로서 취급할 수 있다. 상기 단진자의 주기는 같은 장소(중력이 일정한 장소)에서는 실의 길이에 의해서만 결정되고, 진폭의 크기나 추의 질량과는 관계가 없다. 이것을 보통 단진자의 등시성(等時性)이라 하며, 이 성질을 이용해서 단진자의 길이와 주기의 측정으로 그 지점의 중력가속도 값이 정해진다. 이러한 단진자의 원리는 시계에 이용되고 있다. 반대로 중력을 측정하는 방법으로 진자의 주기를 정밀하게 측정하는 방법이 오래전부터 이용되고 있다. 단진자의 등시성은 1581년 G.갈릴레이에 의해 발견되었고, 1656년 C.호이겐스는 이것을 시계에 적용하였다. 또 1851년 J.푸코는 지구의 자전을 증명하는데 단진자를 이용하였다.

한편, 공진 현상은 진동수가 똑 같은 두 개의 진동체를 거리를 조금 띄워 두고 한쪽 물체를 진동시켜 주면 여기에서 발생한 진동에 의해 나머지 진동체도 잠시 후에 흔들리게 된다. 이와 같이 진동하는 물체의 고유진동수와 같은 진동수를 가진 힘을 받았을 때 진폭이 증가하는 현상을 공진이라 하며, 공진되어 나는 소리를 공명음이라 한다

이러한 단진자 운동과 공진현상은 어린이들이 이해하기 쉽지 않으므로 이를 가시화 시켜 단진자 운동과 공진현상을 관찰할 수 있는 학습교구들이 개발되어 있다.

대한민국 등록 실용신안 제 0331837호에는 단진자 운동학습교구가 개시되어 있다. 개시된 학습교구는 기둥과 가로대를 가지는 몸체와, 상기 몸체에 길이 조절수단에 묶이고 몸체에 형성된 줄 통과구를 통하여 하향되도록 설치되는 적어도 두쌍의 줄과, 상기 각 줄 끝단에 고정되며 중앙에 홀을 갖는 추와, 상기 추를 수평으로 관통하여 양단에 줄이 연결되며 무게를 가감할 수 있는 무게 조절수단을 구비한다.

상기와 같이 구성된 단진자 운동 학습교구는 추가 한 쌍의 줄에 의해 지지되어 있으므로 추의 길이 조정이 어렵고, 두 개의 추를 동시에 회동력을 제공하기가 용이하지 않다.

대한민국 공개 실용신안 제 2000-0016633호에는 전향력 및 푸코 진자 실험장치가 개시되어 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 진자들의 길이 조정이 용이하고 진자들의 초기 진동주기가 일정한 상태에서 진동시킬 수 있는 단진자 및 공진 실험 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 공진을 위한 진자의 지지선의 장력과 진동추를 지지하는 와이어 길이의 미세 조정이 가능한 단진자 및 공진 실험장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 단진자 운동과 공진을 동시에 관찰 할 수 있으며, 공진의 실험시 시각 장애인도 공진 상태를 인지 할 수 있는 단진자 및 공진 실험장 치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 단진자 및 공진실험장치는,

베이스 부재와; 상기 베이스 부재에 설치된 서포트 부재에 의해 지지되는 프레임과;

상기 프레임의 일측에 설치되는 복수개의 와이어 길이 조절수단과, 상기 와이어 길이 조절수단에 의해 길이 조절 가능한 각 와이어의 단부에 설치되는 제1진동추들과, 상기 프레임에 회동 가능하게 설치되며 상기 각 제1진동추들을 동시에 진동시키기 위한 외력을 제공하는 회동판부재를 구비하여 된 단진자 실험부와;

상기 가이드 프레임의 타측에 수평상태로 설치되며 장력 조절수단에 의해 장력이 조절되는 지지선과, 상기 지지선에 소정의 간격으로 설치되며 적어도 한쌍의 동일한 와이어의 길이를 가지는 제2진동추들을 가진 공진 실험부를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 베이스 부재에는 공진에 따라 주기적으로 진동하는 제 2진동추를 감지하는 감지수단을 더 구비하며, 상기 단진지 실험부와 인접되는 서포트 부재에 상기 단진자의 진폭을 측정하는 진폭 측정수단을 구비하여 된 것을 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 다른 단진자 및 공진 실험장치는 단진자 운동과 공진현상을 가시 적으로 보여 줄 수 있는 것으로, 그 일 실시예를 도 1에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 단진자 및 공진 실험장치(10)는 베이스 부재(11)와, 상기 베이스부재(11)에 고정된 서포트 부재(12)에 의해 지지되며 수평방향으로 나란한 지지부(15)들을 가지는 프레임(16)을 포함한다. 이 프레임(16)은 상술한 실시예에 이해 한정되지 않고, 수평상태의 지지부 즉, 단진자나 공진을 실험하기 위한 진동추가 설치될 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

상기 프레임(16)의 일측 지지부(15)에는 단진자 운동을 실험하기 위한 단진자 운동실험부(20)가 구비되고, 프레임(16)의 타측 지지부(15)에는 공진실험부(50)가 구비된다.

상기 단진자 운동 실험부(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 일측 지지부(15)에 수직으로 설치되는 복수개의 가이드 부재(21)들과, 상기 지지부(15)에 고정되어 상기 각 가이드 부재(21)를 통하여 와이어(22)를 감거나 풀어 와이어(22)의 길이를 조정하는 와이어 길이 조정수단(30)들과, 상기 각 와이어(22)의 단부에 설치되는 고정부재(23)와 나사 결합되는 제 1진동추(24)들과, 상기 프레임(16)의 지지부(15)에 회동 가능하게 설치되며 상기 각 단진자의 제1진동추(24)들에 진동을 위한 외력을 동시에 가하는 회동판부재(25)를 구비한다.

상기 지지부(15)에 고정되는 가이드 부재(21)들은 지지부(15)에 대해 수평방향으로 동일 축선상에 위치되도록 하며, 각 가이드 부재(21)의 단부는 베이스 부재(11)에 대해 동일한 높이에 위치되도록 함이 바람직하다. 그리고 상기 가이드 부재(21)에 형성된 관통공(21a)은 제1진동추(24)를 지지하는 와이어(22)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 형성하여 와이어(22)의 지지시 와이어(22)의 외주면과 관통공(22a)의 내주면 사이에 유격이 발생되지 않도록 함이 바람직하다.

상기 길이 조절수단(30)은 상기 지지부(15)에 설치되는 고정블록(31)과 상기 고정블록(31)에 회전 가능하게 설치되며 상기 가이드 부재(21)의 수직 상부로 돌출되어 와이어(22)가 감기는 권취부(32)를 가지며 타측에 웜휠(33)이 고정된 회전축(34)과, 상기 고정블록(31)에 회전 가능하게 설치된 구동축(35)에 지지되며 상기 웜휠(33)과 치합되는 웜(36)와, 상기 구동축(34)의 단부에 설치되는 노브(37)를 구비한다. 상기 와이어의 길이를 조정하기 길이 조절수단(30)은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 와이어(22)의 길이를 미세하게 조절 할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

한편, 상기 회동판부재(25)는 상기 프레임(16)의 지지부(15)에 지지된 브라켓(25a)에 단부가 힌지 결합된 판상의 본체(25b)와, 상기 본체(25b)에 길이 방향으로 돌출되어 상기 각 제 1진동추(24)들을 가이드 하는 가이드 부재(25c)들을 구비한다. 그리고 상기 가이드 부재(25c)들에 의해 구획된 상기 본체(25b)의 내주면에는 제1진동추(24)가 매달리는 와이어(22) 즉, 단진자의 길이를 측정하기 위한 눈금자(26)가 설치된다. 상기 본체(25b)가 힌지 연결된 브라켓(25a)에는 단진자의 진동시 회동판부재(25)가 간섭되지 않도록 상기 본체(25b)를 일정한 각도로 지지시키기 위한 토오션 스프링(미도시)이 설치된다. 여기에서 상기 토오션 스프링의 일측은 브라켓(25a)에 고정되고 타측은 회동판부재(25)의 힌지부에 지지되어 상기 회동판부재(25)를 상방으로 탄성바이어스 시킨다.

그리고 상기 회동판부재(25)와 인접되는 서포트 부재(12)에는 와이어(22)에 제 1진동추(24)가 연결된 단진자의 진폭을 측정하기 위한 진폭 측정수단(40)이 설치된다. 상기 진폭 측정수단(40)은 상기 서포트 부재(12)에 위치 고정부재(41)가 설치되고, 이 위치고정부재(41)에 설치되며 진폭을 측정하기 위한 눈금이 새겨진 원호상의 고정판(42)으로 이루어질 수 있다. 상기 위치 고정부재(41)는 상기 서포트 부재(12)를 따라 승강되는 승강부재(41a)와 상기 승강부재(41a)에 나사 결합되어 승강부재(41a)를 서포트 부재(12)에 대해 고정하는 고정나사(41b)로 이루어진다.

상기 공진 실험부(50)는 상기 프레임(16)의 타측 지지부에 설치되어 공진현상 즉, 진자의 길이가 똑 같은 두 개의 진동체 거리를 조금 띄워 두고 한쪽 물체를 진동시켜 주면 여기에서 발생한 진동에 의해 나머지 진동체도 잠시 후에 흔들리게 되는 공진현상을 실험하기 위한 것이다. 이와 같이 진동하는 물체의 고유진동수와 같은 진동수를 가진 힘을 받았을 때 진폭이 증가하는 현상을 공진현상을 실험하기 위한 공진 실험부의 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 상기 공진 실험부(50)는 상호 나란하며 소정간격 이격된 지지부의 일측에 지지선(51)의 일측 단부를 고정하기 위한 지지선 고정부재(52)가 설치되고, 이와 대응되는 타측의 지지부에는 상기 지지선(51)의 타측을 지지하며 이 지지선(51)의 장력을 조절하기 위한 장력조절수단(60)이 설치된다. 이 장력 조절수단(60)은 상술한 와이어의 길이 조절수단과 실질적으로 동일하므로 다시 설명하지 하지 않기로 한다.

상기와 같이 수평방향으로 설치된 지지선(51)에는 각각 단부가 고정되며 길가 동일한 적어도 한쌍의 제1와이어(52)(53)들과, 상기 각 제 1와이어(52)(53)의 단부에 고정되는 제2진동추(54)(55)들을 구비한다. 그리고 지지선(51)에는 상기 제1와이어(52)(53)들과 상대적으로 길이가 다른 적어도 하나의 제 2와이어(56)가 설치되고 제 2와이어(56)의 단부에는 제3진동추(57)가 설치된다. 상기 공진실험부(50)는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 공진실험을 하기 위하여 다양한 길이의 와이어에 진동추가 설치된 구성을 가질 수 있다.

한편, 상기 베이스 판(11)에는 공진하는 진동추(54 또는 55)를 감지하여 실험자에게 인식시키는 감지수단(70)이 더 구비된다. 이 감지수단(70)은 상기 베이스판(11)에 설치되는 센서(71)들과, 이 센서(71)들에 의해 감지된 신호를 인식하고 이를 인지시키는 인지부(72)를 더 구비한다. 상기 센서(71)는 근접센서, 수발광센서 등이 이용될 수 있으며, 상기 인지부(72)는 상기 센서에 의해 감지된 신호에 따라 알람 또는 음성을 인지시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

그리고 도면에는 도시되어 있지 않으나 상기 제1,2진동추들은 무게별로 구비되어 와이어의 단부에 설치되는 고정부재(23)와 선택적으로 결합될 수 있다. 상기 베이스 부재(11)에는 상기 진동하는 진동추을 밝히기 위한 조명수단이 더 구비될 수 있다.

상기와 같이 구성된 단진자 및 공진 실험장치를 이용하여 단진자 운동실험을하기 위해서는 먼저 상기 단진자 실험부(20)의 와이어 길이 조절수단(30)을 이용하여 와이어(22)들의 길이를 서로 다르게 조정하고 이 와이어(22)의 단부에 무게 가 같거나 서로 다른 진동추(24)를 장착한다. 이 상태에서 상기 회동판부재(25)를 회동시켜 각 진동추(24)가 지지된 와이어의 길이를 측정한다. 상기 회동판부재(25)를 이용하여 미리 와이어(22)의 길이를 조정할 수도 있다.

상기와 같이 와이어(22)의 길이와 진동추(24)의 길이 조정이 완료된 상태에서 회동판부재(25)를 이용하여 상기 각 와이어(22)에 매달린 제1진동추(24)들에 동시에 외력을 가한다. 즉, 회동판부재(25)를 진폭을 주고자 하는 각도로 회전시킨 후 원위치시켜 각 단진자 즉, 와이어(22)에 매달린 제1진동추(24)를 소정의 폭을 진동시킨 후 각 진자들의 주기를 관찰한다.

여기에서, 상기 각 단진자들의 주기는 진폭이나 추의 무게에 관계없이 와이어의 길이에 따라 가변되는 단진자 운동을 확인할 수 있다.

이와 같은 방법으로 상기 와이어 길이 조절수단(30)의 노브(37)를 회전시켜 노브에 설치된 웜(36)과 이와 치합되는 웜휠(33)을 이용하여 회전축(34)을 회전시켜 와이어의 길이를 가변시킴으로써 상술한 바와 같이 단진자 운동을 관찰 할 수 있다. 이 과정에서 서포트 부재(12)에는 진폭 측정수단이 설치되어 있으므로 각 단진자의 진폭을 측정할 수 있다.

그리고 상기 공진을 실험하기 위해서는 상기 공진실험부(50)의 지지선 길이 조정수단(60)을 이용하여 지지선(52)의 장력을 조절하고, 이 지지선(52)에 소정의 간격을 설치된 제1와이어(52)(53)에 달린 제 2진동추(54)(55)중 일측의 제2진동추(54)를 소정의 진폭으로 진동시킨다. 이와 같이 하면, 일측의 제2진동추(54)가 진동함에 따라 타측이 동일한 길이를 가지는 타측의 제2진동추(55)가 진동하게 됨을 알 수 있으며, 길이가 다른 제 2와이어(56)에 연결된 제 3진동추는 진동하지 않음을 알 수 있다. 이때에 상기 타측의 제 2진동추(55)가 진동함에 따라 이 제 2진동추(55)의 움직임이 상기 센서(71)에 의해 감지되고 이 센서의 신호에 따라 감지부(72)로부터 알람 또는 인식 메시지가 발생된다.

상기와 같이 방법으로 제 2,3와이어(52)(53),(56)의 와이어의 길이와 제1,2진동추(54)(55),(57)들의 무게를 변화시키면서 공진실험을 반복하고, 관찰한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 단진자 및 공진 실험장치는 진동추의 무게와 와이어의 길이를 변화시키면서 이에 따른 단진자 운동변화 및 공진의 변화를 가시화 시켜 관찰할 수 있으므로 어린이들의 학습효과를 높일 수 있다.

그리고 와이어의 길이 및 지지선의 장력 조절이 용이하므로 사용이 간편하여 학습교구로서의 상품성을 높일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 베이스 부재와; 상기 베이스 부재에 지지되는 서포트 부재에 의해 지지되는 프레임과;

   상기 프레임의 일측에 설치되는 복수개의 와이어 길이 조절수단과, 상기 와이어 길이 조절수단에 의해 길이 조절 가능한 각 와이어의 단부에 설치되는 제1진동추들과, 상기 프레임에 회동 가능하게 설치되며 상기 각 제 1진동추에 진동을 위한 외력을 가하는 회동판부재를 구비하여 된 단진자 실험부와;

   상기 프레임의 타측에 수평상태로 설치되며 장력 조절수단에 의해 장력이 조절되는 지지선과, 상기 지지선에 소정의 간격으로 설치되며 적어도 한 쌍의 동일한 와이어 길이를 가지는 제2진동추를 가진 공진 실험부를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단진지 실험부와 인접되는 서포트 부재에 상기 단진자의 진폭을 측정하는 진폭 측정수단을 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 진폭 측정수단은 상기 진폭을 계측하기 위한 눈금이 새겨진 원호상의 고정판과, 상기 서포트 부재에 설치되어 상기 고정판의 위치를 고정하는 위치고정부재를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 프레임에 설치되어 상기 단진자 실험부의 와이어 상단부를 지지하는 것으로 와이어의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 가이드부재들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 와이어 길이 조절수단은 프레임의 지지부에 설치되는 고정블록과, 상기 고정블록에 회전 가능하게 설치되고 상기 가이드 부재의 수직 상부로 돌출되어 와이어가 감기는 권취부를 가지며 타측에 웜휠이 고정된 회전축과, 상기 고정블록에 회전 가능하게 설치된 구동축에 지지되며 상기 웜휠과 치합되는 웜과, 상기 구동축의 단부에 설치되는 노브를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 베이스 부재에는 공진에 따라 주기적으로 진동하는 제 2진동추를 감지하는 감지수단을 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 감지수단은 상기 베이스 판에 설치되어 제 2진동추를 감지하는 센서들과, 상기 센서들의 신호에 따라 실험자에게 감지 상태를 인지시키는 인식부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 단진자 및 공진 실험장치.

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