중력을 이용한 에너지 - Gravity Light
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(중력에너지는 지구에 사는 어느 누구나 언제든 이용할 수 있다. )
중력을 이용한 조명
발명이라는 것은 어쩌면 이미 우리가 살아가는 이 세계에 늘 존재했지만 미처 자각하지 못했던 존재들을 발견하는 순간이 아닌가 싶습니다. TEDxItaewon의 연사 장종훈 박사가 우연히 공유해 주었던 중력조명(GravityLight)를 보는 순간 저의 머릿속을 강타한 생각입니다.
장종훈 박사가 공유해준 링크: http://www.indiegogo.com/projects/282006
중력조명은 문자 그대로 중력을 에너지 공급원으로 이용하는 조명입니다. 에너지의 공급은 화석 연료를 태우거나, 태양/풍력/조력 등의 에너지를 이용해 전기의 형태로 공급하는 방식을 일반적으로 생각할 수가 있습니다. 그런데 중력은 미처 생각치도 못한 방식입니다. 늘 우리의 곁에 공기처럼 존재하고 있는 것이어서 그런지도 모릅니다.
원리는 사실 의외로 기본적입니다. 자전거의 페달을 발로 밟아서 운동에너지를 바퀴로 전달하는 것처럼, 중력조명은 무게가 있는 물체를 매달아서 중력 에너지를 전달하는 방식입니다. 에너질르 공급하기 위해 손이나 발로 당기는 대신 중력을 이용하는 것이죠. 언뜻 아.. 싶지만 잘 와닿지 않으시죠? 영상으로 확인해 보겠습니다
이 연구는 영국 런던의 디자인 혁신 기업인 therefore.com 사의 The Deciwatt Team 에 의해서 진행되고 있습니다. 전세계 10억명을 위한 전기프로젝트를 위해 오래 전부터 힘을 합쳐오고 있었습니다. 진정 디자인이란 인간이 인간을 위해 할 수 있는 무언가라는 생각을 깊이 느끼게 만듭니다.
늘 우리의 곁에 존재하지만 누군가의 눈에는 엄청난 기회로 작용하고 누군가에겐 그렇지가 않습니다. 차이는 무엇일까요? 대단히 복잡적인 질문인것 같지만, 가장 큰 동인은 관심과 애정이라는 생각입니다. 누군가를 위해 기여할 수 있는 무언가를 만들기 위해 자신의 경험과 역량을 연결하는 일. GravityLight 프로젝트가 그것을 다시 일깨우네요.
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최고관리자님의 댓글
최고관리자
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수조벽면의 임의의 지점에서의 압력을 말씀하시는것인지 아니면 깊이에 따른 벽면에 받는 총힘을 말씀하시는건지 모르겠네요.. 유체역학에 자세히 나오는 내용입니다..
수조벽면의 임의의 지점에서의 압력
임의의 지점에서의 압력은 모든방향에 대해 동일합니다.
따라서 임의의 지점에서의 벽면에 대한 압력(P) = 밀도*중력가속도*수면에서부터 임의의 위치까지의 수직거리
예를 들자면 수조의 높이가 10m 인데 물이 8m 까지 차있을 경우 수면에서부터 5m지점에서의 압력 P = 1000kg/m^3 * 9.8m/s^2 * 5m = 49KN/m^2 = 49000 Pa 이 나오겠죠.. (유체가 물이 아니라면 밀도값이 달라져서 결과값이 달라집니다.) 물론 깊이는 같다면 벽면이든 아니든 동일합니다.
깊이에 따른 벽면에 받는 총힘
위의 경우와 같을 경우 벽면에 걸리는 총 힘을 구할경우
수면에서의 벽면에 대한 압력은 0 Pa ~ 바닥에서 벽면에 걸리는 압력 (위의 공식에 대입하면) P = P = 1000kg/m^3 * 9.8m/s^2 * 8m = 78.4KN/m^2 = 78400 Pa 이 됩니다. 즉, 수면에서 바닦에 이르기까지 벽면에는 0 ~ 78400 Pa에 이르기까지 1차식으로 증가합니다. 따라서 벽면에 걸리는 총힘은 이것을 적분하면 되겟죠..
압력의 크기는 1차식으로 변하므로 수면에서부터 바닦에 이르기까지의 모든압력을 적분한후 벽면의 면적으로 나누면 총 힘(F)가 되겠네요.
계산하면 F = 바닦에서의 압력(78400) * 깊이 8m / 2 (다이어그램을 그려보면 직 삼각형 형태이므로) * 폭 10m = 3136000N = 3136KN 이 되겠읍니다.
이정도의 힘이 한쪽면에 작용한다고 보면 됩니다. 댐의 수문같은것을 설계시 여기서 좀더 깊이 들어가는데.. 위에 나온 결과값이 수면에서 4m 지점에 걸린다고 보고 계산합니다.
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높이수두가 곧 압력입니다.
파이프내에 물이 10m 높이로 있다면 압력은 수두단위로 10m Aq(아쿠아:물기둥:수주)의 압력이 걸리는 것입니다.
이것을 일반적인 압력으로 환산하면
1kg/cm^2 입니다. (10 m 수조의 압력)
알기쉽게 풀이하면
압력이란 단위 면적위에 미치는 힘으로 상기 물기둥을 예로 설명하면 1m^2 의 단면적 위에 10m 의 물기둥이면 체적이 10 m^3 무게가 10톤이죠 10,000 kg
압력단위로 표현하면 10,000 kg/m^2
이것을 cm^2 단위 환산하면
1m^2 = 10,000 cm^2 이므로
10,000 kg/10,000 cm^2
따라서
1kg/cm^2 이 되는 것입니다.(아직 까지도 현장 실무에서는 이단위를 씁니다.)
학교에서 수업을 이렇게 하면 학생들이 조금 이해하는데 도움이 되지않을까요 그냥 시험보기 위해 외우는 것은 아무런 도움이 되지 못합니다. 최소한의 원리는 이해하고 넘어갑시다.
다른 압력단위도 같은 원리로 생각하면 됩니다.
Pa 은 N/m^2
N 은 kg * 중력가속도(9.80667 m/sec^2)
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p=γz = ρgz 입니다.
(단, p는 압력, γ은 비중량, ρ는 밀도, g는 중력가속도, z는 깊이)
수면에 가해지는 압력은 대기압과 외부압을 합한 값입니다.
따라서, 수면에 가해지는 압력은 1kgf/cm² + 0.8kgf/cm² = 1.8kgf/cm² 입니다.
위의 공식은, 대기압을 배제한 압력입니다.
따라서, 수면 내에 작용하는 압력을 구하려면, 위의 공식을 이용해서 유체에 의한 압력을 구한 뒤, 수면에 가해지는 압력을 합해야 합니다.
깊이 50cm(=0.5m)에서 물에 의한 압력은
p= ρgz = 1,000 · 9.8 · 0.5 = 4,900 N/m² 입니다.
4,900N/m² 를 kgf/cm² 로 환산하면
4900N/m² × 1kg/9.8N × 1m²/10,000cm² = 0.5kgf/cm²
따라서, 깊이 50cm에 작용하는 총 압력은
1.8+0.5
=2.3kgf/m²
입니다.
그리고, 0.8kgf/cm² (0.8기압)은 면적 1cm² 에 800g의 무게가 가해지는 정도로써, 지구 대기에서 보면 고산지대의 기압 정도에 해당합니다.
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바다속 수심 100미터에서 받는 수압을 계산하는 방법
10m마다 1 kg/m2씩 압력이 증가한다고 보면 됩니다.
수심 100m라면 약 10 kg/cm2G의 압력이 예상됩니다.
하지만 이 경우는 순수한 물을 기준으로 한 것이고 실제의 상황에서는 물의 온도와 염도
수류의 변화 등에 의하여 더 높은 압력이 걸릴 수 있습니다.
그리고 설계압력과 실험압력은 다릅니다.
예전에는 설계압력의 1.5배로 실험을 하였고, 요즘은 1.3배를 적용합니다. (ASME규격)
그러므로 사용 수심이 50~100m라면, 13 kg/cm2G까지 실험을 하시고, 설명서에는
설계압력(Design Pressure)이 수두 100m, 실험압력(Test Pressure)이 수두 130m라고
표기하면 문제가 없습니다.
(출처 : '바다속 수심 100미터에서 받는 수압을 계산하는 방법' - 네이버 지식iN)
[출처] 수압을 계산|작성자 바이킹