SCIENCE 3D | 흔들림이 커지는 때 (공명)

무슨 일이 일어났나

모든 진동체에는 저절로 흔들리는 제 박자(고유 진동수)가 있습니다. 밖에서 그 박자에 맞춰 밀면 흔들림이 크게 자라는데, 이것을 공명이라 합니다.

박자가 맞으면 밀 때마다 이미 그 방향으로 움직이고 있어서 에너지가 계속 더해집니다. 박자가 어긋나면 어떤 때는 밀고 어떤 때는 막아서 에너지가 쌓이지 않습니다.

시뮬레이터에서 고유 진동수 1 Hz · 감쇠비 0.05 진동체를 1 Hz 로 밀면, 진폭이 10 초에 0.242 m, 30 초에는 0.253 m 까지 자랍니다. 0.7 Hz 로 밀면 0.049 m 근처에 머뭅니다.

자라는 크기에는 끝이 있습니다 — 감쇠(마찰)가 클수록 공명 때의 흔들림이 작아져, 감쇠비를 0.1 로 두 배 하면 진폭이 0.127 m 로 절반이 됩니다.

💡 생활 속 예시

그네 탄 동생을 밀 때, 그네가 돌아오는 박자에 맞춰 살짝씩 밀면 금세 높이 올라갑니다.
버스가 서서 엔진만 돌릴 때, 어떤 엔진 빠르기에서만 창문이나 손잡이가 유난히 덜덜 떨립니다.
물을 조금 넣은 유리잔 가장자리를 젖은 손가락으로 문지르면, 잔이 제 박자로 울려 소리가 점점 커집니다.

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1940 년 타코마 내로스 다리는 바람과 단순히 공명해서 무너졌다고 밝혀졌다.
워싱턴주 교통부(WSDOT)는 주된 설명으로 «비틀림 플러터» 를 들고, 정확한 붕괴 원인은 아직 풀리지 않았다고 적습니다. 출처

누가 왜 찾았나

1940 년 11 월 7 일 미국 워싱턴주의 타코마 내로스 다리(«Galloping Gertie»)가 바람에 크게 흔들리다 무너졌습니다. 풍동 시험을 이어 가던 F. B. 파쿼슨 교수는 감쇠되지 않은 박자 있는 힘이 쌓여 «강한 공명 진동» 이 생겼다고 보았습니다. WSDOT 는 이 사고 뒤로 다리가 받는 바람의 힘을 풍동에서 시험하는 일이 흔해졌다고 적습니다.

확인된 값

타코마 내로스 다리(«Galloping Gertie»)가 무너진 날: 1940-11-07 출처
타코마 다리 붕괴의 정확한 원인은 아직 풀리지 않았다 (주된 설명은 비틀림 플러터): torsional flutter 출처
타코마 다리 — 파쿼슨 교수가 풍동 시험을 이어 감 (WSDOT): 풍동 시험 출처
파쿼슨 교수의 결론 — 강한 공명 진동 (WSDOT): intense resonant oscillation 출처
지금은 다리의 바람 영향을 풍동에서 시험하는 일이 흔하다 (WSDOT): 풍동 시험 흔함 출처

흔들림이 커지는 때 (공명)

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