Spring   스프링, 용수철

1. 스프링 (Spring)

  ㅇ 운동,압력을 억제하고, 진동,충격을 완화(제동)시키는 기계요소
     - 코일 스프링, 판 스프링, 스파이러 스프링, 접시 스프링 등
        . 例) 자동차에는 수십개 이상의 코일 스프링이 사용됨


2. 스프링의 선형 탄성 계수 / 선형 탄성률 / 스프링 상수 (Spring Constant)

  ㅇ "스프링(용수철)은, 복원력(F)이, 변형(변위,신장량)(δ)에, 선형적으로 비례(k) 함"

     * (스프링의 힘 즉, 복원력) = (비례 계수 : 스프링 상수) x (변형)
         
[# F_{복원력} = - k \; \delta #]
 
     -  F복원력 : 용수철의 복원력, 후크의 법칙(Hooke's Law)
     -  `-` 부호 : 힘과 복원력 방향이 서로 반대이므로

     * (변형)
     -  δ : 변형 / 변위 / 신장량 (Displacement)  [m]
         
[# \delta = - (1/k) \; F = - f \; F #]

     * (비례 계수)
     -  k : 스프링 상수, 선형 탄성계수, 스프링의 강성도(Stiffness)  [N/m]
        .  단위 변형(신장량) 당 필요한 힘 (F/δ)
           .. (단위 변위를 일으키는데 필요한 힘)
        .  변위에 대해 저항하는 정도를 나타냄
           .. (기계적으로 변형하기 어려운 정도)

     -  f = 1/k : 스프링의 유연도(Flexibility), 컴플라이언스(Compliance)  [m/N]
        .  단위 힘 당 발생되는 변형(신장량) (δ/F)
           .. (단위 하중에 의해 생긴 변위)
        .  기계적인 가요성 (부드러운 정도)를 나타냄
           .. (기계적으로 변형하기 쉬운 정도)
        . (스프링 상수의 역수)

  ㅇ 또한, "스프링의 변형량(δ)은, 길이(L)와 힘(F)에는 정비례하고, 단면적(A)에는 반비례 함"
     - (스프링 변형량) ∝ (길이)(힘)/(단면적)   
         
[# δ \propto \frac{L}{A} F \qquad  F \propto \frac{A}{L} δ \\
            F = E \frac{A}{L} δ \\
            k = \frac{A}{L} E \qquad δ = \frac{F L}{E A} #]
        . {#E#} : 탄성계수 (Elastic Modulus)
           .. 탄성 변형에 저항하는 비례 상수/계수
           .. 재료 마다 달라지는 고유한 값
           .. 단위 : 파스칼 [Pa = N/㎡]


3. 선형 탄성체에서, 응력 - 변형률 관계 (응력 변형률 선도) 例)

     

  ※ 위 그림에서, 기울기가 클수록 강한 (큰 탄성을 보이는, 큰 탄성 계수를 갖는) 재질 임
     - (응력 또는 변형력 σ)  =  (탄성계수) x (변형률 ε : 단위 길이 당 치수 변화) [N/㎡]


4. [참고사항]

  ㅇ 스프링 직렬 연결  :  1/k = 1/k1 + 1/k2

  ㅇ 선형 탄성과 관련된 진동 현상은,    ☞ 단순조화진동 참조

  ㅇ `고체 매질`에서 진행하는 파(波)는, ☞ 탄성파 참조