[논문]신발의 보행 충격 완화 장치에 대한 충격 흡수력의 실험적 평가

선창화; 손권; 문병영

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.3.241

문제 정의

콜로이드 댐퍼에 사용되는 입자(실리카겔)의 다공질(pore)를 통과하는 물분자의 흐름에 적용되는 열유체 역학은 지금까지 추측과 예상으로 에너지의 소산을 알 수 있었다. 그러나 이러한 예상은 실험으로 나온 에너지 소산 양을 이론적으로 규명해야하기 때문에 본 연구에서는 나노 기술에 적용할 수 있는 분자 동력학적으로 입자의 에너지 소산을 모델링하여 미시 동력학 및 유체역학을 적용하여 에너지 소산 특성을 설명하고자 한다. 콜로이드 댐퍼의 거시적인 작동과정은 한 개의 병과 병목을 가지고 이상화한 과정을 보일 수 있다.
본 연구는 나노 입자를 이용한 새로운 충격 흡수 장치를 개발하고 그 장치의 충격흡수 성능을 기계적 실험을 통해 평가하는 것이 목적이었다.
본 연구의 목적은 기존의 신발 쿠션 장치와는 다른 형태의 무기재료 입자를 이용한 새로운 신발의 충격 흡수 장치를 개발하고, 충격 흡수력을 평가하는데 있다. 정상보행의 경우 발뒤축이 먼저 지면과 닿고 뛰는 경우에는 전족부가 먼저 닿기도 하나, 본 연구에서는 발뒤축이 먼저 닿는 경우에 대해서만 연구하였다.
있다. 정상보행의 경우 발뒤축이 먼저 지면과 닿고 뛰는 경우에는 전족부가 먼저 닿기도 하나, 본 연구에서는 발뒤축이 먼저 닿는 경우에 대해서만 연구하였다.

제안 방법

나노 입자와 물의 성분비에 따라 충격 흡수장치의 성능이 달라지므로 압축실험을 통해 최적의 성능을 발휘하는 성분비를 찾는 것과 다른 충격 흡수장치와의 성능 비교를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
나노입자를 사용한 충격 흡수 장치의 특성을 정량적으로 규명하기 위해 압축을 통한 기계적 특성 실험을 실시하였다. 충격 흡수 장치에는 Fig.
물-나노입자의 혼합물 형태인 나노 포켓의 최적 구성비에 대한 성능을 평가하기 위해 비교 실험을 실시하였다. 비교군 으로서 현재 충격 흡수력이 가장 우수하다고 평가되는 공기를 넣은 포켓, 나노 포켓과 동일한 양의 물만을 포함한 포켓으로 비교 실험하였다.
물과 중공성 나노입자의 구성비에 대한 효과를 확인하기 위해 구성비의 변화에 따른 결과를 얻은 다음, 최대의 에너지 소산율을 가지는 최적 상태의 물-나노입자의 구성을 결정하였다. 이런 과정을 통해 선정된 것을 최적 충격 흡수 장치로서 신발에 장착하여 응용 실험에 사용하였다.
본 장에서는 순수한 나노입자의 충격 흡수 능력 및 성능을 검증하기 위해 실시한 실험의 결과를 변위에 따른 포켓간의 비교, 에너지 소산량에 대한 정량적 분석 결과에 대해 정리하였다.
비교 실험 방법은 앞의 나노 포켓의 실험과 같이 6, 7, 8 mm로 각각 변위량을 제어하고, 그에 따라 발생하는 힘을 측정하였다. 힘을 가하고 제거하는 동안의 힘-변위 곡선을 얻고, 여기서 발생하는 에너지의 차이인 소산 에너지를 구한다.
실시하였다. 비교군 으로서 현재 충격 흡수력이 가장 우수하다고 평가되는 공기를 넣은 포켓, 나노 포켓과 동일한 양의 물만을 포함한 포켓으로 비교 실험하였다. 특히 후자의 경우는 순수한 나노 입자로 인한 성능을 검증을 하기 위한 것이다.
순수한 나노입자의 성능을 검증하기 위해 최적 구성비를 가지는 나노 포켓과 동일한 비율로 물과 공기를 넣은 포켓(물 포켓)에 대해 비교 실험을 하였다. 동일 변위에 대해 견딜 수 있는 최대하중의 크기는 물 포켓에 비해 약 3.
힘을 가하고 제거하는 동안의 힘-변위 곡선을 얻고, 여기서 발생하는 에너지의 차이인 소산 에너지를 구한다. 이를 정량적으로 분석하여 에너지 소산에 대한 성능을 비교 평가하였다.
제작된 포켓에 대해 만능 재료 시험기에서 변위를 일정하게 제어하면서 얻어지는 힘을 구하였다. 변위는 6mm에서 최대 8mm까지 1mm 단위로 제어하였다.
최대 에너지 소산 효과를 보이는 물-나노입자의 구성비를 알기 위해 함량을 달리한 포켓들을 제작하여 실험하였다. 포켓의 내부 용적이나 물은 부피단위로 측량할 수 있으나, 나노입자의 경우 분말 형태이기 때문에 부피로 측정하는 것은 불가능하다.
발생하는 힘을 측정하였다. 힘을 가하고 제거하는 동안의 힘-변위 곡선을 얻고, 여기서 발생하는 에너지의 차이인 소산 에너지를 구한다. 이를 정량적으로 분석하여 에너지 소산에 대한 성능을 비교 평가하였다.

대상 데이터

따라서 모든 측량단위로 무게단위(g) 를 사용하였으며, 그 구성비의 기준을 나노입자의 함량으로 삼았다. 나노입자 함량을 2 g에서 7.2g까지 l~2g만큼 증가시키면서 실험용 포켓을 제작하였다. Table 1은 실험용 포켓의 종류와 그 구성비를 나타낸 것이다.

성능/효과

특히 나노 3 포켓은 Figs. 6~8에서 보는 것과 같이 7 mm 변위까지는 나노 2 포켓보다 성능이 좋은 듯하나, 전체 에너지에 대한 소산율을 나타내는 평균값에서 나노 2 포켓이 좋은 것으로 나타났다.
일반적으로 뛰는 동안 몸무게의 2-3배의 충격력이 발생한다. 8mm 변위 실험의 경우는 4000N 정도의 힘이 가해지는 것에 상응하므로 8mm까지만 변위를 제어하여 실험하는 것은 충분하다고 판단하였다.
나노 포켓의 기계적 특성 실험을 통해 포켓 속에 들어가는 물과 나노입자의 비율이 3:1이 최적 구성비라는 것을 확인하였다. 이때 에너지 소산율이 최대 37.
따라서 개개의 물질이 혼합된 것을 하나의 새로운 부품으로 보고, 그에 대한 힘-변위 특성과에너지 소산율(energy dissipation rate)을 얻음으로써 충격 흡수 장치로서의 성능을 확인할 수 있다. 물과 중공성 나노입자의 구성비에 대한 효과를 확인하기 위해 구성비의 변화에 따른 결과를 얻은 다음, 최대의 에너지 소산율을 가지는 최적 상태의 물-나노입자의 구성을 결정하였다.
따라서 본 실험을 통해 나노입자-물의 혼합물 형태를 이루고 있는 충격 흡수 부품의 성능이 뛰어나며, 총 입력 에너지에 대해 최대 약 38 %까지 충격을 흡수하는 나노 포켓 2번이 가장 우수한 성능을 가짐을 알 수 있었다. 점성 감쇠에서 에너지 소산은 TTSCX? 의 형태로 표현되기 때문에 3에 대해서 비례한다.
공기 포켓의 감쇠율은 약 16 %로 나노 포켓에 대해 절반 정도이다. 또한 나노입자에 대한 기능 여부 및 성능 정도를 알아보기 위해 나노입자 대신 공기만 채운 물 포켓과의 비교에서는 나노 포켓이 약 1.7 ~ 2.4 배 이상 우수한 것으로 나타났다. 동일 변위에서 견딜 수 있는 최대 하중 역시 약 3.
3 배 더 많았다. 시험기를 통해 포켓에 들어온 총 에너지양에 대한 소산된 에너지양의 비인 에너지 감쇠율에 대해서도 약 1.7 ~ 2.4 배 높아 나노 포켓이 물 포켓에 비해 뛰어난 성능을 발휘하는 것 , 으로 확인되었다.
이러한 사실들을 종합해 볼 때 나노 2 포켓은 적은 변형으로 비교적 큰 힘을 견딜 뿐 아니라 전달되는 에너지 또한 많이 감쇠시킴을 알 수 있다. 체중이 70 kg인 보행자의 경우, 자중의 1배 정도 되는 약 700 N까지는 완만한 곡선을 그리며 6 mm 정도까지 포켓이 변형이 일어난다.
최대 변위인 8 mm의 결과 그래프인 Fig. 8을 보면 나노 2와 나노 3이 거의 유사한 에너지 소산을 보이는 것을 확인할 수 있다. 나노 2와 3은 각각 나노입자의 비율이 약 22 %, 약 31 %이다.

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