March 29th, 2016
반발 계수는 충돌시에 운동 에너지의 손실을 설명하는 매개 변수이다. 여기서, 진공 조건에서 자유 낙하 설치 높은 충격 속도와 마이크로 미터 범위의 입자 반발 파라미터의 계수를 결정할 수 있도록 개발되고있다.
이 실험 설정의 전반적인 목표는 진공 조건에서 충돌하는 입자의 복원 계수를 측정하는 것입니다. 이 방법은 엔지니어링 산업에서 입상 고형물의 운송, 취급, 저장과 같은 모든 엔지니어링 작업에 복원 계수가 존재하기 때문에 엔지니어링 문제를 해결하는 데 기여할 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 챔버에 들어올 때 입자를 가속하지 않고 진공 상태에서 미세 분말에 적용할 수 있다는 것입니다.
제 연구실의 대학원생인 Sven Drucker가 이 절차를 시연할 예정입니다. 그는 Pardem이라는 프로젝트의 틀에서 일합니다. 모든 크기의 입자로 작업하려면 먼저 진공 챔버 위의 슬리브를 제거하고 상단 덮개를 들어 올리십시오.
그런 다음 원하는 벽 재료가 있는 베이스 플레이트를 챔버로 선택합니다. 그런 다음 진공 챔버의 하단을 옆으로 돌리고 베이스 플레이트를 제자리에 조심스럽게 밀어 넣습니다. 다음으로, 핀셋을 사용하여 알려진 크기의 입자를 정확히 하나의 베이스 플레이트 중앙에 놓습니다.
그런 다음 삼각대에 장착된 고속 비디오 카메라의 위치를 조정하여 베이스 플레이트가 시야의 가장 낮은 분기에 있고 초점이 입자에 있도록 합니다. 고속 카메라를 설정하여 528 x 396 픽셀의 해상도에서 초당 10, 000 프레임을 녹화합니다. 그런 다음 참조용으로 입자에 대한 간단한 비디오를 찍습니다.
나중에 입자를 제거하는 것을 잊지 마십시오. 700미크론 이상의 입자로 작업할 때는 먼저 입자 챔버의 높이를 조정하여 원하는 충격 속도에 도달하도록 합니다. 고정 플레이트에 부착된 저울을 사용하여 높이를 측정합니다.
그런 다음 피펫 끝으로 입자 챔버를 닫습니다. 이제 진공 챔버의 상단 덮개를 들어 올리고 핀셋을 사용하여 입자 챔버 내부에 단일 구를 넣습니다. 이 예는 솔리드 구를 보여줍니다.
그러나 액체로 채워진 구체도 테스트할 수 있습니다. 진공 챔버 하단에 상단 덮개를 놓고 진공 챔버의 상단 덮개와 하단 부분을 슬리브에 연결합니다. 이제 진공 청소기를 생성하기 전에 보안경을 착용하십시오.
펌프를 사용하여 원하는 압력이 얻어질 때까지 챔버를 비우십시오. 이 데모의 목표 압력은 0.1mbar입니다. 그런 다음 챔버 측면의 밸브를 닫고 펌프를 끕니다.
이 시점에서 비디오 녹화를 시작합니다. 기록하는 동안 입자 챔버의 구멍을 열어 입자를 방출하는 동시에 피펫 끝에 부착된 스틱을 당겨 돌립니다. 이렇게 하면 스틱과 밀봉된 링 사이의 높은 마찰로 인한 스틱 슬립 문제를 방지할 수 있습니다.
충격이 발생한 후에는 즉시 녹음을 중지하십시오. 제한된 수의 프레임만 저장할 수 있으며 제한이 초과되는 즉시 첫 번째 프레임을 덮어씁니다. 화면에 충격이 가해지는 순간 영화를 자르고 메모리 카드에 저장하십시오.
정확한 주값을 위해 실험을 약 10회 반복할 것으로 예상합니다. 더 미세한 입자로 작업할 때는 기본적으로 동일한 절차를 사용하여 몇 가지 사항을 변경하십시오. 접힌 종이에 50-100개의 구체를 넣고 종이에서 떨어진 챔버에 입자를 로드합니다.
실험이 시작될 때 스틱을 당길 때는 모든 입자가 동시에 떨어지지 않도록 매우 천천히 당기십시오. 영화를 자를 때는 명확하게 초점이 맞춰진 임팩트가 10개 이상 보이도록 하십시오. 데이터를 평가하기 전에 먼저 소프트웨어를 보정해야 합니다.
설정 중에 얻은 알려진 크기의 입자로 프레임을 로드합니다. 그런 다음 수평 직경의 픽셀 수를 계산하고 알려진 거리를 픽셀 수로 나누어 변환 계수, 픽셀당 거리를 구합니다. 수평은 입자와 흰색 배경의 대비 때문에 사용하기가 더 쉽습니다.
충격 속도를 계산하려면 충돌 지점 10프레임 전에 구 위쪽에 모션 참조 지점을 설정하고 충돌 지점 1프레임 전에 두 번째 참조 지점을 설정합니다. 두 점 사이의 픽셀 수와 변환 계수를 사용하여 이동 거리를 계산합니다. 그런 다음 거리를 9개 프레임 사이의 통과 시간으로 나누어 충격 속도를 얻습니다.
반동 속도를 계산하려면 구 위쪽에 있는 참조점을 사용하여 충돌 후 한 프레임, 충돌 후 10프레임을 사용합니다. 마지막으로, 반발 속도 대 충격 속도의 비율로 반발 계수(coefficient of restitution, COR)를 계산합니다. 이 모든 단계를 반복하여 기록된 모든 낙하 테스트 비디오를 평가합니다.
직경이 100미크론에서 4밀리미터인 유리 입자를 초기 높이 200mm에서 20밀리미터 두께의 스테인리스강 바닥판으로 떨어뜨렸습니다. COR의 평균값은 700미크론 이상의 입자에 대해 약 0.9였습니다. 이 결과는 기압과 무관했습니다.
직경이 400미크론 미만인 입자의 경우 COR은 진공 조건에서 0.9의 값으로 거의 일정했습니다. 대기압 하에서, 반발 계수는 입자 직경에 따라 감소했다. 충격 속도에 대한 결과는 입자의 크기와 대기압에 따라 달라졌습니다.
미세 분말은 대기압에서 훨씬 느렸지만 충격 속도는 진공 조건에서 약간 감소했습니다. 이 데이터는 700미크론에서 잘못된 보정으로 인해 생성되었을 수 있는 몇 가지 예외적인 이상값을 보여주었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 진공 상태에서 자유 낙하 실험에서 복원 계수를 측정하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
일단 마스터하면 이 방법을 제대로 적용하면 10개의 입자에 대해 1시간 30분 안에 완료할 수 있습니다. 진공 상태에서 유리 실린더로 작업하는 것은 매우 위험하며 항상 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.
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이 기사는 진공 조건에서 충돌하는 입자의 반발 계수를 측정하도록 설계된 실험 설정을 소개합니다. 이 방법은 입상 고체의 취급 및 저장과 관련된 엔지니어링 과제를 해결하는 것을 목표로 합니다.
Accurate measurement of the coefficient of restitution under controlled conditions supports predictive modeling of particulate behavior in pharmaceutical powder handling, blending, and tablet manufacturing. This method enables de-risking of formulation and process development by providing reliable input parameters for discrete element simulations used in scale-up and equipment design. It addresses a key gap in characterizing fine powder dynamics where atmospheric conditions limit achievable impact velocities.
This method positions itself in the discovery workflow as a front-end characterization tool that informs downstream simulation and process optimization stages, particularly for formulations involving fine powders where environmental interference compromises data fidelity.