진공 조건에서 반발 계수의 측정을위한 실험 장치 개발

이 실험 설정의 전반적인 목표는 진공 조건에서 충돌하는 입자들의 반발 계수를 측정하는 것입니다. 반발 계수는 엔지니어링 산업의 과립형 고체 운송, 취급, 저장과 같은 모든 엔지니어링 공정에 존재하므로, 이 방법은 공학적 문제 해결에 기여할 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 입자가 챔버로 들어올 때 가속시키지 않고도 진공 조건 하의 미세 분말에 적용할 수 있다는 점입니다.

제 연구실의 대학원생인 Sven Drucker가 절차를 시연할 것입니다. 그는 Pardem이라는 프로젝트의 틀 안에서 연구하고 있습니다. 모든 크기의 입자를 다루기 위해, 먼저 진공 챔버의 슬리브를 제거하고 상단 커버를 들어 올리십시오.

그런 다음, 원하는 벽 재질의 베이스 플레이트를 선택하여 챔버에 넣습니다. 이어서 진공 챔버의 하단을 옆으로 돌리고 베이스 플레이트를 조심스럽게 밀어 넣어 위치시킵니다. 다음으로, 핀셋을 사용하여 크기가 알려진 입자 하나를 정확히 베이스 플레이트 중앙에 놓습니다.

그다음, 베이스 플레이트가 시야의 하단 4분의 1 지점에 위치하고 입자에 초점이 맞도록 삼각대에 설치된 고속 비디오 카메라의 위치를 조정합니다. 고속 카메라를 528 by 396 픽셀 해상도에서 초당 10,000 프레임으로 기록하도록 설정하십시오. 그런 다음, 참조용으로 입자의 짧은 영상을 촬영합니다.

작업 후에는 입자를 제거하는 것을 잊지 마십시오. 700 microns 또는 그 이상의 조대 입자를 사용할 때는, 먼저 입자 챔버의 높이를 조절하여 원하는 충돌 속도에 도달하게 하십시오. 고정 플레이트에 부착된 눈금을 사용하여 높이를 측정하십시오.

그 다음, 피펫 팁으로 입자 챔버를 닫습니다. 이제 진공 챔버의 상단 커버를 들어 올리고 핀셋을 사용하여 입자 챔버 안에 단일 구체를 하나 넣습니다. 이 예시에서는 고체 구체를 사용합니다.

하지만 액체가 채워진 구체 또한 테스트할 수 있습니다. 상단 덮개를 진공 챔버의 하단부에 놓고, 슬리브를 사용하여 상단 덮개와 진공 챔버 하단부를 연결합니다. 이제 진공을 생성하기 전 안전 고글을 착용하십시오.

펌프를 사용하여 원하는 압력이 될 때까지 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다. 본 시연에서의 목표 압력은 0.1 millibars입니다. 그 다음, 챔버 측면의 밸브를 닫고 펌프 전원을 끕니다.

이 시점에서 비디오 녹화를 시작합니다. 녹화하는 동안 입자 챔버의 구멍을 열어 입자를 방출시키고, 동시에 피펫 팁에 부착된 막대를 당기며 돌립니다. 이렇게 하면 막대와 밀봉 링 사이의 높은 마찰로 인한 스틱-슬립(stick-slip) 문제를 방지할 수 있습니다.

충격이 발생한 직후 즉시 녹화를 중단하십시오. 저장 가능한 프레임 수가 제한되어 있으며, 제한 용량을 초과하면 처음 저장된 프레임부터 덮어쓰여집니다. 화면에서 충격 발생 시점을 중심으로 영상을 자른 후 메모리 카드에 저장하십시오.

정확한 대표값을 얻기 위해 실험을 약 10회 반복하십시오. 더 미세한 입자를 다룰 때는 몇 가지 변경 사항을 제외하고 기본적으로 동일한 절차를 사용합니다. 접은 종이 위에 구체 50~100개를 올린 다음, 종이에서 챔버로 입자를 투입하십시오.

실험 시작 시 스틱을 당길 때, 모든 입자가 동시에 떨어지는 것을 방지하기 위해 매우 천천히 당기십시오. 영상을 편집할 때는 초점이 명확하게 잡힌 충격 지점이 최소 10개 이상 보이도록 하십시오. 데이터를 평가하기 전, 먼저 소프트웨어를 보정해야 합니다.

설정 단계에서 얻은 크기가 알려진 입자가 포함된 프레임을 불러옵니다. 그런 다음, 수평 직경의 픽셀 수를 측정하고 알려진 거리를 픽셀 수로 나누어 픽셀당 거리인 변환 계수를 구합니다. 입자와 흰색 배경 사이의 대비로 인해 수평 방향을 사용하는 것이 더 용이합니다.

충돌 속도를 계산하려면, 충돌 시점 10프레임 전의 구 상단에 운동 기준점을 설정하고, 충돌 1프레임 전에 두 번째 기준점을 설정하십시오. 두 지점 사이의 픽셀 수와 변환 계수를 사용하여 이동 거리를 계산합니다. 그런 다음, 이 거리를 9프레임 동안 경과한 시간으로 나누어 충돌 속도를 구합니다.

반발 속도를 계산하려면 충격 발생 1프레임 후와 10프레임 후의 구 상단에 있는 기준점을 사용하십시오. 마지막으로 반발 속도와 충격 속도의 비율로 반발 계수(COR)를 계산합니다. 기록된 모든 낙하 테스트 비디오를 평가하기 위해 이 모든 단계를 반복하십시오.

지름이 100 $\mu$m에서 4 mm인 유리 입자들을 20 mm 두께의 스테인리스강 베이스 플레이트 위로 200 mm의 초기 높이에서 떨어뜨렸습니다. 입자 크기가 700 $\mu$m 이상인 경우 COR의 평균값은 약 0.9였습니다. 이 결과는 공기압과 무관하게 나타났습니다.

직경이 400 microns 미만인 입자의 경우, 진공 조건에서 COR은 0.9의 값으로 거의 일정했습니다. 대기압 조건에서는 입자 직경이 커짐에 따라 반발 계수가 감소했습니다. 충돌 속도 결과는 입자의 크기와 대기압에 따라 달라졌습니다.

미세 분말은 대기압 하에서 훨씬 더 느렸으나, 진공 조건에서는 충돌 속도가 아주 약간만 감소했습니다. 데이터상에서 700 µm의 경우 잘못된 보정으로 인해 발생했을 수 있는 일부 예외적인 이상치들이 나타났습니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 진공 조건의 자유 낙하 실험에서 반발 계수를 측정하는 방법에 대해 잘 이해하게 될 것입니다.

이 방법을 숙달하면 적절히 적용했을 때 입자 10개를 1시간 30분 만에 처리할 수 있습니다. 진공 상태에서 유리 실린더를 사용하는 것은 매우 위험하므로 항상 주의를 기울여야 한다는 점을 잊지 마십시오.