KR20200092711A - 웨이트리스 운동 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이트리스 운동 기구에 관한 것으로, 특히 운동공간을 형성하도록 상하방향으로 배치되는 양측의 기둥; 상기 양측의 기둥 사이에 배치되는 바; 상기 기둥에 상하방향으로 설치되는 자성체; 상기 자성체와 상기 바 사이에 구비되는 전자석; 상기 전자석에 연결되어 상기 전자석이 상기 자성체와 접촉되게 하는 전원 공급 장치;를 포함하며, 상기 구성에 의해 사용자의 능력에 따라 조절하는 무게추의 무게를 전자석의 자기력을 이용하여 조절하므로 무게를 용이하게 변경할 수 있는 전자석을 이용한 근력운동을 위한 운동 기구이다.

Description

웨이트리스 운동 기구{Weightless Sports Equipment}

본 발명은 웨이트리스 운동 기구에 관한 것으로, 특히 무게추 대신에 전자석과 자성체를 적용하여, 자기력에 의해 접촉된 전자석과 자성체 사이의 마찰력으로 무게를 조절하는 웨이트리스 운동 기구에 관한 것이다.

최근 삶이 윤택해지고 자기에 대한 투자가 증가하여 헬스장을 찾는 사람들도 증가하고 있다. 그에 따라 혼자 운동하는 사람도 증가하는 추세이다. 하지만 헬스장을 이용하는 사람들이 증가하는 만큼 헬스장에서 발생하는 안전사고도 증가하고 있다. 특히 헬스장에서 운동 중에 부상을 입는 경우 그 정도가 가볍지 않다.

근력 운동 기구 중 하나인 스미스머신은 한국 등록특허공보 제10-1518197호(이하, 특허문헌 1)에 게재된 바와 같이 중량과 사용자의 힘의 작용점이 최대한 일직선상에 놓이게 되어 운동효과가 증진되는 근력운동 기구로써, 사용자는 무게추로 설정된 무게를 이겨냄으로써 수직 왕복운동을 진행하게 된다.

사용자는 다양한 무게를 설정할 수 있지만 스미스머신의 구조와 무게추의 종류에 따라 한계가 있다. 또한 무게추를 운반할 때 무게추가 손에서 미끄러져 사용자가 부상을 입는 경우가 있고, 보관하기에도 불편하며, 과도한 무게를 설정하여 운동할 시 무게추가 연결된 손잡이가 추락하여 사용자가 부상을 입기도 한다.

한편, 운동 중의 부상 수준을 등급별로 분류한 도 4를 보면 헬스는 Yellow에 위치하고 있다. 주변에서 많이 볼 수 있는 축구 경기를 할 때 발생하는 부상의 정도를 생각했을 때 헬스장을 이용하여 운동 시 일어나는 부상 정도의 위험도가 낮은 편이 아니다. 올바른 지식과 운동 기구 사용법, 자세만이 위험도를 낮출 수 있다.

이와 같은 안전사고 및 부상을 방지하기 위해 기존의 스미스머신에 사용되는 무게추를 이용하지 않고 운동 강도를 조절하는 것과 안전사고가 발생하지 않는 운동 기구 개발이 요구되고 있다.

한국 등록특허공보 제10-1518197호(2015.04.29)

[1] kssf 스포츠안전재단 (2015), 2015 스포츠안전사고 실태조사 보디빌딩(헬스) [2] 정남주. (2006). 체육 수업 중 안전사고에 대한 유형과 보상. 한국스포츠리서치, 17(3), 509-516. [3] 정윤하. (2016). 스포츠 산업,경영과 디자인의 융합적 고찰: 스포츠시설 디자인 만족도 재구성. 한국과학예술포럼, 23(0), 327-334. [4] 신애경, 현동걸, 김석주. (2015). 전자석 관련 실험수업의 효율화를 위한 새로운 전자석 제작 및 특성 조사. 한국초등과학교육학회 학술대회, 68(0), 213-214. [5] 백윤수, 양창일, 박준혁. (2001). 전자석의 자기력 제어를 이용한 구형 3 자유도 액추에이터의 설계 및 제어. 대한기계학회논문집. A (대한기계학회), 25(9), 1341-1349. [6] 이건호, 조삼광, 차봉진, 배봉성, 김현영. (2016). 솔레노이드 장치를 이용한 양식용 부자 LED 전원공급 시스템 개발. 수산해양기술발명(구 한국어업기술학회지), 52(1), 17-23. [7] 김찬중, 이봉현, 배철용, 이동원, 권성진. (2009). 포스터 발표 : 자동차/기계시스템 ; 자동차 알루미늄 부품의 단축 진동내구용 가진 프로파일 생성 방법. 한국소음진동공학회 학술발표논문집, 2009(0), 557-558. [8] 손창현, 구상모, 김창수, 김건우. (2002). 새 도선 감는 방법을 적용한 전기장 이용 스케일 제거. 대한기계학회논문집. B (대한기계학회), 26(5), 658-665.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 사용자의 능력에 따라 조절하는 무게추 대신 전자석과 자성체 사이의 자기력을 이용하여 무게를 조절하므로 무게를 용이하게 조절할 수 있고, 사용자의 당기는 혹은 미는 힘이 전자석과 자성체 사이의 마찰력보다 작을 경우에는 움직이지 않는 점을 이용하여 혼자 운동을 하는 도중 발생할 수 있는 사고가 방지되는 웨이트리스 운동 기구를 제공하는 것이 목적이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이트리스 운동 기구는, 운동공간을 형성하도록 양측에 기둥이 상하방향으로 설치되는 바디프레임; 상기 양측의 기둥 사이에 배치되는 바(Bar); 상기 바디프레임과 상기 바 사이에 배치되도록 상기 기둥에 설치되는 자성체; 상기 자성체와 마주보도록 상기 바에 지지되는 전자석; 상기 전자석에 전압을 공급하여 발생되는 자기력으로 상기 자성체와 접촉시킴으로써 상기 전자석과 상기 자성체 사이에 마찰력을 발생시키는 전원 공급 장치;를 포함한다.

본 발명의 웨이트리스 운동 기구는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 무게추 대신 전자석과 자성체 사이의 자기력을 이용하므로 무게를 용이하게 변경할 수 있다.

본 발명은 전자석과 자성체 사이의 자기력에 의해 발생되는 마찰력보다 사용자의 당기는 힘 또는 미는 힘이 더 작을 경우 움직이지 않는 점을 이용하여 혼자 운동을 하는 도중 발생할 수 있는 사고를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 웨이트리스 운동 기구의 사시도
도 2는 도 1의 부분 확대도
도 3은 본 발명의 구성 중 가이드의 사시도
도 4는 본 발명의 구성 중 바(bar)의 사시도
도 5는 본 발명의 작동 원리의 메커니즘을 설명하기 위한 도면
도 6은 본 발명의 실험에 사용된 전원 공급 장치 모델을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 실험 중 수직 항력을 측정하기 위한 방법을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 실험 중 마찰력을 측정하기 위한 방법을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 실험을 통해 구한 결과 값인 수직항력, 최대정지마찰력, 운동마찰력을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 실험을 통해 구한 마찰력 공식을 설명하기 위한 도면

이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접촉되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 웨이트리스 운동 기구의 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이고, 도 3은 본 발명의 구성 중 가이드의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 구성 중 바(100)의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 작동 원리의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실험에 사용된 전원 공급 장치(P) 모델을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실험 중 수직 항력을 측정하기 위한 방법을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실험 중 마찰력을 측정하기 위한 방법을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실험을 통해 구한 결과 값인 수직항력, 최대정지마찰력, 운동마찰력을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실험을 통해 구한 마찰력 공식을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 도 1 내지 도 10을 토대로 본 발명에 대하여 설명하도록 한다.

도 1, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 웨이트리스 운동 기구는, 운동공간을 형성하도록 양측에 기둥(50)이 상하방향으로 설치되는 바디프레임(도면부호 미도시); 상기 양측의 기둥(50) 사이에 배치되는 바(100)(Bar); 상기 바디프레임과 상기 바(100) 사이에 배치되도록 상기 기둥(50)에 설치되는 자성체(200); 상기 자성체(200)와 마주보도록 상기 바(100)에 지지되는 전자석(300); 상기 전자석(300)에 전압을 공급하여 발생하는 자기력으로 상기 자성체(200)와 접촉시킴으로써 상기 전자석(300)과 상기 자성체(200) 사이에 마찰력을 발생시키는 전원 공급 장치(P);를 포함한다.

또한, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 웨이트리스 운동 기구는, 상기 전자석(300)이 지지되며 상기 바(100)에 장착되는 연결체(400); 상기 바(100)에 지지되며 상기 전자석(300)이 수용되는 홈이 형성되는 연결체(400); 상하측이 상기 기둥(50)의 상하측에 각각 고정되는 지지봉;을 더 포함하되, 상기 지지봉은 상기 연결체(400)에 형성된 관통공(407)에 삽입되어 상기 자성체(300)와 나란하게 배치되는 가이드봉(510), 상기 가이드봉(510)의 상하측에서 연장되어 상기 자성체(300)의 상하측에 각각 고정되는 상하측 연장봉(521, 523)을 포함하여, 상기 연결체(400)가 상기 가이드봉(510)을 기준으로 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 상기 상측 연장봉(521)과 하측 연장봉(523) 사이에 배치된다.

이러한 본 발명은 전자석(300)에 공급되는 전압의 크기를 조절하여 사용자가 적절한 강도로 운동을 할 수 있도록 구성한다. 따라서, 본 발명은 무게추 없이 전자석(300)으로 작동되어 안전사고가 방지되고 운동효과가 증진될 수 있다.

보다 자세한 본 발명의 효과는, 1) 사용자의 능력에 따라 조절하는 무게추 대신 전자석(300)과 자성체(200) 사이의 자기력을 이용하므로, 무게를 용이하게 조절할 수 있다. 2) 전자석(300)과 자성체(200) 사이의 자기력에 의해 발생되는 마찰력(전류가 흐르는 전자석(300)의 힘)보다 사용자의 당기는 힘 또는 미는 힘이 더 작을 경우 움직이지 않는 점을 이용하여 혼자 운동을 하는 도중에 발생할 수 있는 사고가 줄어든다. 3) 사용자의 능력에 따라 운동 강도를 조절하는 무게추를 전자석(300), 자성체(200)로 대체하여 무게를 조절할 때 발생될 수 있는 부상이 방지된다. 4) 바(100)에 지지된 전자석(300)은 지면과 수직방향으로 움직이기 때문에 사용자가 가하는 힘의 작용점이 바(100)의 이동 방향과 일직선상에 있어 운동효과가 극대화된다. 보다 자세하게, 본 발명은 전자석(300)과 기둥(50) 및 바(100)가 가상의 일직선상에 배치되어, 상기 작용점이 바(100)의 이동구간 상에 배치되므로 운동효과가 극대화된다.

이하에서는 본 발명을 이루는 구성에 대한 구체적인 설명을 하도록 한다.

기둥(50), 전자석(300), 자성체(200), 연결체(400)는 웨이트리스 운동 기구의 양측에 각각 배치되나, 이하 설명에서는 도 2와 같이 좌측에 배치된 구성을 기준으로 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 연결체(400)는 상기 관통공(407)이 형성된 몸체(401), 몸체(401)의 일측에 돌출 형성되어 바(100)가 삽입되는 바삽입부(410), 몸체(401)에서 돌출 형성된 플랜지(409), 전자석(300)이 수용되는 홈, 몸체(401)에 바(100) 방향과 나란하게 형성된 전자석지지부삽입공(420)을 포함한다.

플랜지(409)는 몸체(401) 타단의 양측에서 타측방향으로 연장되어 형성된다.

상기 전자석(300)이 수용되는 홈은, 몸체(401)의 타면이 움푹 파지도록 형성되어 전자석(300)의 일측이 삽입되는 전자석삽입홈(403)과, 상기 양측의 플랜지(409)에 의해 형성되는 공간인 전자석수용홈(405)을 포함한다.

전자석삽입홈(403)과 전자석수용홈(405)은 서로 연통된다.

상기 관통공(407)은 가이드봉(510)과 나란한 방향이 되도록 몸체(401)를 관통하여 형성된다. 따라서 가이드봉(510)이 삽입된 연결체(400)는 가이드봉(510)을 따라 상하로만 이동한다.

또한 상기 관통공(407)은 바삽입부(410)와 전자석삽입홈(403) 사이에 형성된다.

한편, 전자석지지부삽입공(420)은 전자석(300)과 연결체(400)간에 분리를 방지하기 위한 것이다. 전자석(300)의 축방향으로 형성된 홀(미도시)에 제1핀(미도시)을 꽂고, 상기 제1핀(미도시)의 나머지를 전자석지지부삽입공(420)에 꽂으면 전자석(300)과 연결체(400)간에 분리가 방지된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이 바삽입부(410)는 관 형상이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 바(100)와 바삽입부(410) 각각에는 제1구멍(111)과 제2구멍(411)이 상하방향으로 형성된다.

바가 바삽입부(410)에 삽입되면 제1구멍(111)과 제2구멍(411)이 서로 연통된다. 이 상태에서 제1구멍(111)과 제2구멍(411)에 제2핀(미도시)을 삽입시키면 연결체(400)와 바(100)의 분리를 방지할 수 있다.

제1구멍(111)은 도 4에 도시된 바와 같이 바(100)의 양측에 형성된다.

한편, 본 실시 예에서 자성체(200)는 철판이 적용되었다.

상하측 연장봉(521, 523)은 연결체(400)의 이탈을 방지하기 위해 상측 연장봉(521)과 하측 연장봉(523)으로 이루어진다.

한편, 상기 바디프레임은 알루미늄 프로파일을 적용하여 기존의 스미스머신과 동일하게 디자인되었다.

---------- 본 발명에 대한 이론적 배경 ----------

본 발명이 이루어질 수 있는 간단한 원리로, 전자석(300)에 전압이 공급되면 전자석(300)에는 자성체(200)에 대한 자기력이 생긴다. 따라서 전자석(300)에 공급되는 전압의 크기에 따라 전자석(300)의 자기력 크기가 변하며, 자기력 변화에 따라 전자석(300)과 자성체(200) 사이의 마찰력 크기가 변화하므로 무게가 조절된다. 따라서 전자석(300)이 무게추를 대체할 수 있는 것이다.

- 전자석(300) -

전자석(300)이란 전류가 흐르면 자기화되고, 전류를 끊으면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 자석을 말한다.

전자석(300)은 전류의 공급과 상관없이 항상 자기를 유지하는 영구자석과 구분된다.

도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 동심원 모양의 자기장이 형성된다. 이러한 원리를 이용하여 영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자기장을 얻을 수 있다.

원통 모양의 철심에 코일을 감아서 만든 솔레노이드가 가장 간단한 형태의 전자석(300)이다.

전자석(300)의 철심은 어느 정도 자기화가 진행되면 전류를 더 높여도 더 이상 자기화가 진행되지 않는다. 이를 자기포화상태라고 한다.

전자석(300)은 전류를 인위적으로 조정하여 비교적 쉽게 자기장의 세기를 바꿀 수 있다. 그래서 통신기의 계전기부터 1t(톤) 이상의 무거운 재료를 끌어올리는 전자기식 기중기까지 널리 이용된다.

- 솔레노이드 -

솔레노이드는 도선을 촘촘하게 원통형으로 말아 만든 기구이다.

솔레노이드는 도선에 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석(300)으로 주로 이용된다.

솔레노이드는 유도자(인덕터)의 종류 중 하나로써, 교류를 이용하는 전자회로에 아주 유용하게 쓰인다.

솔레노이드는 단독으로도 자기장을 만들지만 자성이 센 강자성체(200)를 넣으면 자화가 일어나면서 자기장이 더 강해지는 효과가 일어난다.

솔레노이드에 흐르는 전류의 양을 조절함으로써 전자석(300)으로 사용할 수 있다.

솔레노이드는 전기에너지를 자기에너지로 변환하므로 에너지변환 장치라고도 할 수 있다.

내부 자기장의 크기는 전류의 크기에 비례하고 단위 길이 당 감은 수에 비례한다.

도선에 전류가 흐르면 그 주변에 시계 반대 방향으로 자기장이 형성되는데(앙페르의 오른나사 법칙), 이때 상기 도선을 감아 솔레노이드를 만들 경우 상기 도선이 일직선일 때 생성되었던 자기장들이 같은 방향으로 정렬되면서 솔레노이드의 자기장이 벡터의 합으로 구해진다.

- 앙페르 회로 법칙 -

앙페르 회로 법칙에서 나타내는 바(100)와 같이 직류가 흐르는 전선(W)은 주변에 자기장이 형성된다. 이때 형성되는 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례한다.

앙페르 회로 법칙은 전류밀도

와 그것이 만들어내는 자기장

에 관련된다.

각 기호의 의미는 다음과 같다.

: 자기장 (암페어/미터)

: 곡선 C의 미소미분요소

: 곡선 C가 만드는 표면 S를 통과하는 전류밀도 (암페어 매 제곱미터)

: 자유공간에서의 투자율 (헨리 매 미터)

: 폐곡선

위에서의 적분

마찬가지로, 이 방정식의 미분형은 다음과 같다.

자기장

는 자속밀도

(단위: 테슬라)와 다음과 같은 관계가 있다.(진공인 경우)

- 수정된 앙페르 회로 법칙 : 앙페르-맥스웰 방정식 -

앙페르의 회로법칙의 적분형은 다음과 같다.

변위전류밀도

는 다음과 같다. (단위: 쿨롱/미터2)(진공인 경우)

이 앙페르-맥스웰 법칙은 다음과 같은 미분형으로도 표현된다.

두 번째 항이 변위전류에서 나온 것을 알 수 있다.

한편, 코일 형태로 감긴 전선(W)에 전류가 흐르면 자기장이 중첩되어 일정한 극성을 띄게 된다. 이는 코일의 주변에 생성된 자기력선이 중첩되면서 코일의 중앙에 한 방향으로 작용하는 자기력선이 발생하기 때문이다.

코르크스크류와 같은 모양의 나선을 그리는 코일을 원통 모양으로 만든 것을 솔레노이드라고 하고, 양 끝을 한곳으로 모아 둥글게 만든 것은 환형 인덕터라고 한다.

형성된 자기장을 보다 강하게 하기 위해 코일의 중앙에 철과 같은 강자성을 띠는 물질로 만든 자기 코어를 놓는 것이 일반적이다. 이는 투자율이 높은 자기 코어를 쓰면 자기력선이 보다 강력해지기 때문이다.

엄지를 세우고 오른손을 말아 쥐었을 때 검지 내지 단지가 말린 방향을 전류의 흐름이라고 하면 엄지가 가리키는 방향이 자기력선의 방향, 즉 N극이 된다.

전자석(300)은 영구자석과 달리 전류가 흐를 때만 자성을 띄므로 자성을 조절하여야 하는 여러 곳에 두루 쓰인다.

- 마찰력 -

마찰력이란 두 물체의 접촉면 사이에서 물체의 운동을 방해하는 힘이다. 마찰력의 계수는 물질의 고유 성질이 아닌, 어떤 물체의 표면 상태에서 물질과 접촉하는 가 등에 관계에 있으며 실험을 통해 결정되는 현상론적인 량이다. 본 발명에서 필요로 하는 마찰력은 정지 마찰력, 운동 마찰력이다.

정지 마찰력은 물체가 움직이지 않는 동안에 받는 마찰력을 말한다.

평면 위에 놓여 있던 물체가 외부에서 힘을 받았는데 움직이지 않았다면, 외부의 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 정지 마찰력이 작용한 것으로 이해할 수 있다. 이러한 정지 마찰력의 최댓값을 최대 정지 마찰력이라고 한다.

최대 정지 마찰력의 크기는 수직 항력의 크기와 정지 마찰 계수(

)의 곱이 되며, 따라서

이다.

외부의 힘이 최대 정지 마찰력과 같거나 그보다 커지면 물체는 움직이기 시작하고, 그 이후엔 물체에 미끄럼 (운동) 마찰력이 작용된다.

운동 마찰력은 물체가 접촉면에 대해 움직이고 있을 때 받는 마찰력이다.

일반적으로 운동 마찰력은 최대 정지 마찰력보다 작거나 같다.

미끄럼 운동 마찰력의 크기(

)는 수직항력(

)과

의 관계에 있다. 여기서

는 미끄럼 운동 마찰계수이다.

이하에서는 도 5를 토대로 본 발명의 작동 메커니즘에 대하여 설명하도록 한다.

전자석(300)에 전압이 공급되면 자성체(200)에 대한 자기력이 발생된다.

공급되는 전압의 크기에 따라 전자석(300)의 자기력이 변하며 그에 따라 마찰력의 크기가 변화한다.

예를 들어 3V의 전압이 전자석(300)에 공급되었을 때 3V에 해당하는 자기력이 전자석(300)과 자성체(200) 사이에 발생하게 된다.

전자석(300)을 지면과 수직한 방향으로 움직이기 위해선 전자석(300)과 자성체(200) 사이에 자기력으로 인한 마찰력을 이겨내야 한다. 위의 과정을 수행함으로써 운동이 진행된다.

이러한 현상을 이용하여 전자석(300)이 기존 스미스머신의 무게추의 역할을 대신한다.

한편, 도 5(a)를 토대로 자기력이 마찰력

중 수직항력

임을 알 수 있다.

마찰이 있는 벽에 수평방향으로

의 힘을 주어 물체를 떨어지지 않게 잡은 상태로 가정한다.

중력이

라고 하여도 수직항력과는 상관이 없다.

물체가 떨어지지 않는 이유는 자기력

때문이고 이는 수직항력

임을 증명해준다. 따라서

이고 자기력

이 된다.

한편 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 수직항력과 자기력이 같기 때문에, 전자석(300)의 전압을 조절하여 자기력의 크기가 조절됨에 따라 수직항력(

)이 변함을 알 수 있다. 마찰력

에서 수직항력과 마찰력이 비례관계이기 때문에 전압을 조절하여 마찰력을 조절할 수 있고 결과적으로 전자석(300)이 기존 스미스머신의 무게추의 역할을 대신한다.

: 움직이지 않음

: 처음 움직이기 시작하는 순간

: 운동 중

각 기호의 의미는 다음과 같다.

: 마찰력

: 마찰계수 (

: 정지마찰계수,

: 최대정지마찰계수,

: 운동마찰계수)

: 수직항력

: 사용자의 힘

------- 전원 공급 장치(P)(파워 서플라이) -------

이하에서는 효율적인 전압조절을 위해 본 발명에서 사용한 전원 공급 장치(P)에 대해 설명하도록 한다.

전원 공급 장치(P)는 컴퓨터 및 전자기기의 구동에 필요한 전력을 공급해 주는 장치를 의미한다.

가정에 공급되는 전력은 일반적으로 교류 전원이지만 컴퓨터에 사용된 전자 부품이 필요로 하는 전력은 직류전원이므로, 교류를 직류로 변환하는 장치가 필요한데 이 역할을 하는 것이 전원 공급 장치(P)이다.

특정 부품들은 특정한 직류 전압을 필요로 하므로 전원 공급 장치(P)는 입력전원인 220V 교류 전원으로부터 이들 전압에 해당하는 직류 전원으로 변환하는 것이 기본적인 목표가 된다.

도 6은 발명 및 후술될 실험에 적용된 전원 공급 장치(P)의 모델명 및 +극, -극 연결부를 보여준다. 상기 모델의 전원 공급 장치(P)를 활용함으로써 전자석(300)의 출력을 전압으로 제어하여 후술될 실험을 진행하였다.

------------ 실험 ------------

이하에서는 본 발명을 개발하기 위해 실시한 실험에 대해 설명하도록 한다.

본 실험은

중 수직 항력을 구하기 위해 도 7과 같이 자성체(200)를 지면에 고정시키고 수직으로 전자석(300)을 잡아당겨 양측의 전자석(300)에 대하여 전압에 대한 자기력을 측정한다. 마찰을 고려하지 않은 상태의 입력전압과 전자석(300)의 자기력 사이의 관계를 실험적인 데이터를 바탕으로 표와 그래프를 작성한다.

본 실험은

중 마찰력을 구하기 위해 도 8과 같이 가이드와 결합된 원형 축을 따라 지면과 수직으로 바(100)를 잡아당겨 양측의 전자석(300)에 대하여 전압에 대한 무게를 측정한다. 실제 자성체(200)와 전자석(300) 사이의 마찰력을 고려하며 입력전압과 전자석(300)의 자기력 사이의 관계를 실험적인 데이터를 바탕으로 표 1 내지 표 4와 도 9, 도 10의 그래프로 작성한다.

우선, 표 1은 전자석(300)의 전압에 따른 무게를 정리한 표이다.

참고로, 하측의 표 1 내지 표 3에서 n은 실험 회차를 뜻하고, V는 전압을 뜻한다. 또한 12V는 전술하 바와 같이 실험에 적용된 전자석(300)의 이론값이다.

실험에 이용한 전자석(300)의 스펙은, 정격 전원 DC 12V 0.7A이고, 전력은 8W이며, 자기력은 25kg이고, 직경 40mm, 높이 20mm이다.

표 1, 도 9를 통해 입력전압이 증가할수록 전자석(300)에 설정되는 힘 또는 무게인 수직항력이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

n / V	0	3	6	9	12
1	0.23	6.05	11.76	17.95	25
2	0.23	5.95	11.82	17.88	25
3	0.23	6.02	11.83	18	25
4	0.23	6.02	11.77	17.9	25
5	0.23	6.01	11.79	18.05	25
6	0.23	6.00	11.84	18.12	25
7	0.23	5.96	11.78	18.03	25
8	0.23	5.96	11.78	17.97	25
9	0.23	6.03	11.82	18.02	25
10	0.23	6.00	11.81	18.08	25
평균(kg)	0.23	6.00	11.80	18.00	25

또한, 표 2, 표 3, 도 9를 통해 입력전압이 증가할수록 전자석(300)에 설정되는 힘 또는 무게인 마찰력이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

실험의 결과 값인 마찰력과 수직항력의 비교 그래프를 도시한 도 9를 토대로, 입력전압이 증가할수록 수직항력이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 마찰력 공식

을 토대로 최대정지마찰력과 운동마찰력이 증가하는 것을 알 수 있다.

최대정지마찰력을 고려한 전자석(300)의 전압에 따른 무게를 나타낸 표

n / V	0	3	6	9	12
1	0.45	2.93	6.55	9.13	12.35
2	0.45	2.95	6.62	9.12	12.31
3	0.45	3.12	6.61	9.15	12.28
4	0.45	3.02	6.59	9.18	12.34
5	0.45	2.98	6.58	9.14	12.27
6	0.45	2.95	6.63	9.16	12.23
7	0.45	3.11	6.6	9.16	12.33
8	0.45	3.03	6.61	9.18	12.31
9	0.45	2.93	6.62	9.11	12.26
10	0.45	2.98	6.59	9.17	12.32
평균(kg)	0.45	3.00	6.60	9.15	12.30

운동 마찰력을 고려한 전자석(300)의 전압에 따른 무게를 나타낸 표

n / V	0	3	6	9	12
1	0.45	2.57	5.92	8.22	11.28
2	0.45	2.57	5.94	8.25	11.25
3	0.45	2.54	5.91	8.21	11.32
4	0.45	2.64	5.86	8.32	11.34
5	0.45	2.66	5.87	8.12	11.29
6	0.45	2.61	5.9	8.17	11.3
7	0.45	2.59	5.85	8.17	11.33
8	0.45	2.62	5.88	8.2	11.24
9	0.45	2.55	5.94	8.13	11.32
10	0.45	2.65	5.93	8.21	11.33
평균(kg)	0.45	2.6	5.9	8.2	11.3

마지막으로, 상기 실험 데이터를 통해 최대정지마찰계수(

)와 운동마찰계수(

)를 구할 수 있다. 표 4는 마찰계수를 구하기 위한 공식인

, 즉

을 이용하여 나온 결과 값이다.

이때, 마찰력 측정 실험에서 양측 전자석(300)의 자기력을 측정하였기 때문에 상기 마찰력 공식

의

대신에

을 적용한다. 이는 도 10을 참고하도록 한다.

전압(V)	최대정지마찰계수	운동마찰계수
3	0.250	0.217
6	0.280	0.250
9	0.254	0.228
12	0.246	0.226
평균마찰계수	0.257	0.230

한편, 성능 실험에서 구한 평균마찰계수를 토대로 운동을 시작하기 직전인 최대정지마찰력은 실험식

, 운동마찰력은 실험식

을 구할 수 있다.

실험에 적용된 최댓값이 25kg인 전자석(300)보다 강한 또는 약한 전자석(300)을 사용하였을 때 위 실험식(

,

)을 토대로 입력전압에 따른 마찰력 즉, 무게를 유추할 수 있다. 단, 실험에 적용된 전자석(300)의 재료와 같은 재료를 사용하여야 한다.

결과적으로, 전술된 실험을 통해 전자석(300)에 작용하는 입력전압과 무게의 관계는 선형적이고, 입력전압이 증가할수록 전자석(300)을 움직이는데 필요한 힘도 증가하는 것을 알 수 있었다.

또한 실험을 통해 수직항력과 마찰력 의 관계를 통해 마찰계수를 구했고, 운동을 시작하기 직전인 최대정지마찰력에 관한 식은

이고, 운동 중일 때의 운동마찰력에 관한 식은

임을 알 수 있다.

이를 바탕으로 전압이 공급될 때, 일정한 힘 이상을 주지 않으면 운동 기구는 움직이지 않는 장점을 바탕으로 힘이 부족하여 부상을 입는 위험을 방지할 수 있다.

운동 기구에 설치된 전자석(300)은 지면과 수직 방향으로 움직이도록 설계되었기 때문에 사용자는 운동 시 작용점을 운동 기구의 진행 방향과 일직선상에 일치하도록 하여 운동효과를 증진시킬 수 있다.

또한, 자성체(200) 또는 전자석(300)의 종류가 실험에 사용된 것과 달라도 자기력과 마찰력의 관계를 고려해보았을 때 입력전압과 무게의 관계는 선형적일 것이다.

더 나아가 실험을 통해 얻은 마찰계수로 실험에 사용한 최댓값이 25kg인 전자석(300)보다 강한 전자석(300)을 사용하였을 때 자기력에 따른 무게를 유추할 수 있다. 단, 실험에 적용된 전자석(300)의 재료와 같은 재료를 사용하여야 한다.

한편, 실험에서 적용된 전자석(300)보다 강한 세기의 전자석(300)을 사용하면 최대 운동 강도를 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있다.

** 주요 부호에 대한 설명 **
50 : 기둥 100 : 바
200 : 자성체 300 : 전자석
400 : 연결체 500 : 지지봉
510 : 가이드봉 520 : 연장봉
P : 전원 공급 장치

Claims (1)

1. 운동공간을 형성하도록 양측에 기둥이 상하방향으로 설치되는 바디프레임;
   상기 양측의 기둥 사이에 배치되는 바(Bar);
   상기 바디프레임과 상기 바 사이에 배치되도록 상기 기둥에 설치되는 자성체;
   상기 자성체와 마주보도록 상기 바에 지지되는 전자석;
   상기 전자석에 전압을 공급하여 발생되는 자기력으로 상기 자성체와 접촉시킴으로써 상기 전자석과 상기 자성체 사이에 마찰력을 발생시키는 전원 공급 장치;를 포함하는 웨이트리스 운동 기구

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