소개글
"기울기 각도와 속도에 따른 충격량"에 대한 내용입니다.
목차
1. 기울기 각도와 속도에 따른 충격량
1.1. 실험 이론 및 배경
1.2. 실험 장치 및 구성
1.3. 실험 방법 및 절차
1.4. 실험 결과 및 분석
1.5. 고찰 및 토의
2. 제트에 의한 충격
2.1. 실험 이론 및 원리
2.2. 실험 장치 및 재료
2.3. 실험 방법 및 절차
2.4. 실험 결과 및 데이터 분석
2.5. 실험 고찰
3. 자유낙하운동
3.1. 실험 목적
3.2. 실험 이론
3.3. 실험 기구
3.4. 실험 방법
3.5. 실험 결과
3.6. 고찰
4. 참고 문헌
본문내용
1. 기울기 각도와 속도에 따른 충격량
1.1. 실험 이론 및 배경
가속도는 뉴턴의 고전역학 2법칙을 통해 정립된 개념이다. 뉴턴 2법칙에 따르면 힘은 물체를 가속시킨다. 가속하는 물체에는 힘이 작용하고 있다고도 말할 수 있는데, 태양을 한 초점으로 하여 타원 궤도를 도는 행성의 경우 만유인력이 작용하여 행성의 운동방향과 속력이 시시각각 바뀌는 가속도 운동을 한다. 요는 속도가 물체의 빠르기와 방향을 나타내는 벡터양이라면 가속도는 속도 벡터가 단위시간 동안 얼마나 변했는지를 나타내는 벡터량이라는 것이다. 가속도 센서는 이러한 성질을 측정하는데 사용한다. 가속도 센서는 측정하는 대상에 따라 선형가속도와 각가속도 센서로 나눌 수 있다. 평면상에서 움직이는 물체라면 적분하는 횟수에 따라 속도, 위치를 알 수 있기 때문에 물체의 속도와 위치를 알 수 있다. 운동 상태를 특정할 수 있는 점을 이용하여 여러 분야에서 사용이 가능하다. 이러한 가속도 센서에는 측정 오차가 존재한다. 드리프트 성분이라고 표현하는데 이는 적분을 할수록 누적되는 오차를 의미한다. 가속도 센서는 진동, 충격 등의 동적 힘 등 물체의 운동 상태를 순시적으로 감지할 수 있어 자동차, 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송 수단 및 공장 자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어 필수적이다. 에어백 시스템, 로봇의 보행 자세 제어 및 사람에게 적용할 수 있는 동력 보조 장치 등에도 사용된다.
중력가속도를 기준으로 물체가 수직을 이루고 있다면, 1G를 검출할 수 있다. 달리 말하자면 완벽한 수평이라면 0G가 검출된다고도 말할 수 있다. 기울어진 각도와 가속도의 관계는 g=sin(theta)로 표현할 수 있다. 다만 이 방식은 간단한 만큼 문제가 있다. 정지된 상태에서 물체가 움직이기 시작하면 그 순시값은 기울기를 나타내지 않을 수 있다는 것이다. 예를들어 기울어진 상태에서 한 방향으로 가속하는 경우이다. 한 축 (x/y/z)의 값만 증가하여 기울기를 측정할 수 없게 된다. 요는 정지한 상태의 물체만 가속도 센서로 기울기 값을 측정할 수 있다는 것이다. 센서의 감도 (V/g)에 따라 전압 변화와 가속도의 관계를 나타낼 수 있으므로 우수한 센서일수록 감출 감도가 좋다. 이러한 검출 감도를 비롯한 몇 가지 기준으로 센서를 분류할 수 있다.
1.2. 실험 장치 및 구성
MMA7331L은 본 실험에서 사용하는 가속도 센서이다. 해당 센서는 저전력으로 설계된 정전용량식 가속도 센서 모듈이다. 신호 조절 기능을 갖추고 있으며, 1-pole low pass filter, 온도 보상, 셀프 테스트, 및 2가지의 sensitivity g-Select 기능을 포함하고 있다. Zero-g offset과 sensitivity가 사전에 설정되어 있어 추가적인 장치는 필요 없다. 절전 모드를 지원하므로 컴퓨터나 게임기 등의 센서로 사용하기 적절하다. 또한 기울기 및 모션 센서로도 동작할 수 있으며, 최대 60도까지 기울기 측정이 가능하고 가속도는 특성표의 값을 나타낸다.
1.3. 실험 방법 및 절차
가속도 센서를 한 축 방향으로 이동시킨 후 가속도 센서에서 나온 출력값을 수집한다. 출력값에는 잡음(Noise)이 존재하므로 저역 통과 필터(Low pass Filter)를 사용해야 하며, 원래의 출력값과 필터를 통과한 출력값을 비교한다.
가속도 센서를 이용하여 가속도 센서가 기울어진 각도를 측정한다. 회전축을 시계 방향과 반시계 방향으로 회전시키면서 가속도 센서의 출력값을 수집한다. Elvis를 사용하여 서보 모터를 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전시키는 프로그램을 작성한다.
원래의 출력값과 필터를 통과한 출력값 사이의 차이점을 분석하고, 계산한 각도와 실제 각도 사이에서 발생한 오차를 확인하며 그 원인을 분석한다.
1.4. 실험 결과 및 분석
실험 장치를 사용하여 기울기 각도와 속도에 따른 충격량을 측정하였다. 반구형 컵, 원추형, 평판, 경사진 판 등 4가지 형상의 날개에 제트가 부딪혔을 때 발생하는 충격력을 측정하였다. 이론식에 따르면 날개의 기울기 각도 β가 작을수록 물체에 가해지는 충격량이 크게 된다.
실험 결과, 오차가 있었지만 이론과 유사한 경향을 보였다. 경사진 평판에서 가장 큰 충격력이 발생하였고, 다음으로 평판, 원뿔형, 반구형 컵 순으로 충격력이 작아졌다. 이는 β각도가 작을수록 물체에 가해지는 충격량이 크다는 이론과 일치한다.
하지만 실험값과 이론값의 오차가 크게 나타났는데, 이는 실험 과정에서 발생한 여러 오차 요인 때문이다. 물 제트의 분사 위치, 피켓펜스의 낙하 충격, 고정 장치의 위치 조정 등에서 오차가 발생한 것으로 분석된다. 실험 장치와 절차를 보다 정밀하게 조절한다...
참고 자료
아주대학교 자동제어실험 강의 노트 (2021)
Franklin 외 2인 공저, 『Feedback Control of Dynamic Systems』, 제 7판, 2014
alldatasheet, (2021.09.26.), (2021.09.26.),
‘MMA7331L’, https://www.alldatasheet.co.kr/datasheet-pdf/pdf_kor/246049/FREESCALE/MMA7331L.html
Tisory, (2021.09.26.), (2021.09.26.),
‘가속도 센서’, https://wadadada.tistory.com/15
E.Markland, A First Course in Hydraulics Tecquipment Ltd, England(1976).
Installation & Serivicing Manual for a Range of Tecquipment Hydraulics Products, Tecquipment Ltd., Nottingham, England.
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