자기 서스펜션 및 밸런스 시스템을 사용하여 투창에 작용하는 공기역학적 힘 및 모멘트 측정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 391(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

Javelin의 치수를 관리하는 규칙은 1986년에 크게 변경되었습니다. 이 새로운 디자인은 공격 각도 0°에서 투구 모멘트가 0이고 공격 각도가 증가함에 따라 투구 모멘트가 감소(음수가 됨)되는 것을 보장하는 것으로 간주되었습니다. 본 연구의 목적은 투구 모멘트가 항상 음수(노즈다운 회전)로 유지되는지 조사하는 것입니다. 자벨린에 작용하는 정확한 공기역학적 힘을 측정하기 위해 세계에서 가장 큰 1m 자기 서스펜션 및 밸런스 시스템이 사용되었습니다. 자기 서스펜션 및 밸런스 시스템은 풍동에서 지지 간섭 없이 공기역학적 힘을 측정할 수 있었습니다. 또한, 투구 모멘트 계수를 추정하기 위해 전산유체역학을 수행하였다. 시중에서 판매되는 자벨린의 투구 모멘트 계수는 12° 미만의 낮은 받음각에서 양의 값(기수 위로 회전)이 되는 것으로 나타났습니다. 무게중심 상류측이 하류측보다 더 많은 유입을 받으면 피칭 모멘트는 양의 값을 갖게 됩니다. 이러한 상황은 예를 들어 하류측에 비해 상류측의 두께를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.

기존의 창던지기 풍동 테스트는 창던지기를 지지 막대에 고정하여 수행되었습니다1,2. 그러나 지지봉이 흐름을 방해하는데 이를 지지 간섭이라고 합니다. 예를 들어, 직경이 0.5mm인 얇은 막대를 사용할 때 타원체의 분리선이 급격히 뒤로 이동하는 것이 관찰되었습니다3. 일반적으로 스포츠용품의 경우 크기는 손이나 발과 비슷합니다. 특히 투창과 같이 길고 좁은 물체의 경우 지지봉의 직경이 투창의 직경과 비슷하기 때문에 지지 간섭이 커져 공기역학적 힘을 정확하게 측정하기가 어렵습니다4.

자기 서스펜션 및 균형 시스템(MSBS)은 지지 간섭 없이 공기역학적 힘을 측정하는 데 유용한 도구입니다. 최초의 MSBS는 1950년대 ONERA에서 개발되었습니다5. 그러나 이 MSBS에 대한 추가 연구 및 개발은 1970년대부터 중단되었습니다. MSBS6의 상용화 가능성이 전혀 없었기 때문이다. 최근에는 측정 장비의 정교함과 컴퓨터 제어 개선, 그리고 강력한 네오디뮴 자석의 개발로 인해 ODU7, KAIST8 및 Tohoku University9에서 MSBS의 연구 개발이 다시 시작되었습니다. 그러나 아직 전 세계적으로 MSBS의 수는 상대적으로 적습니다.

창던지기의 공기 역학적 관점에서 치수를 관리하는 규칙은 1986년에 실질적으로 변경되었습니다. 변경을 촉발한 주요 요인은 많은 던지기에서 창던지기가 거의 평평하게 착지하여 심판이 투척이 올바른지 여부를 판단하기 어렵게 만들었다는 것입니다. 유효한지 아닌지10. 새로운 디자인은 공격 각도가 증가함에 따라 자벨린의 투구 순간 프로파일이 양의 값을 얻지 못한 채 단조롭게 감소한다는 것을 보장하는 것으로 간주되었습니다.

본 연구의 목적은 투구 모멘트가 공격 각도에 대해 항상 음수(노즈 다운 회전)인지 확인하는 것입니다. 지지대 없이 창던지기에 작용하는 공기역학적 힘에 대해 설명합니다. 풀사이즈 여성용 투창에 작용하는 공기역학적 힘을 측정하기 위해 세계 최대의 자기 서스펜션 및 균형 시스템(MSBS)이 사용되었습니다. 따라서 본 논문에 제시된 공기역학적 계수가 가장 정확해야 합니다. 또한 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 활용한 파라메트릭 연구도 수행하여 투구 모멘트가 항상 음수인지 여부를 평가했습니다.

자기 서스펜션 및 균형 시스템(MSBS)이 그림 1에 나와 있습니다. 세로 축을 따라 자석을 포함하는 Javelin이 테스트 섹션 중앙에 공중에 떠 있습니다. 바람이 흐르면 ​​공기역학적 힘이 자벨린에 작용하고 제어 원리는 자벨린을 테스트 섹션의 중앙(홈 위치)에 유지하도록 설계되었습니다. Javelin의 동일한 위치와 동일한 자세를 유지하기 위해 테스트 섹션 주위에 10개의 코일이 배치됩니다. 예를 들어, 흐름 방향에 있는 두 개의 도넛 모양의 공기 코어 코일(#0 및 #9)은 항력의 균형을 맞추는 데 작동합니다. 나머지 8개의 코일은 철심코일로, 코일 #1~#4, #5~#8을 요크로 연결하여 자기회로를 형성함으로써 효율적으로 자기장을 발생시킨다11. 각 코일에는 전력 증폭기가 부착되어 있으며 각 코일에는 최대 150A의 전류를 전달할 수 있습니다. 코일의 전류는 동일한 위치와 동일한 자세를 유지하도록 조정됩니다. 바람이 켜진 상태와 바람이 꺼진 상태 사이의 구동 전류 차이는 공기역학적 힘으로 변환됩니다. 진동 창의 경우, 바람을 켠 상태에서 측정된 전류에는 공기역학적 힘과 관성력의 구성 요소가 모두 포함됩니다. 반면, 진동 창의 바람이 꺼진 상태에서 측정된 전류에는 관성력만 포함됩니다. 그러므로 바람이 통하는 상태와 바람이 꺼지는 상태 사이의 전류 차이는 공기역학적 힘과 모멘트로 변환될 수 있습니다.