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1. 스털링 엔진의 실험적 연구
1.1. 실험 목적 및 내용
스털링엔진의 구조와 작동원리를 이해하는 것이 이 실험의 주된 목적이다. 특히 스털링엔진 회전축의 토크와 파워를 구하고, 실험에서 얻은 값들을 이용하여 스털링엔진의 효율을 계산하는 것이 주요 내용이다.
실험에서는 두 가지 방법을 이용하여 스털링엔진 회전축의 토크와 힘을 측정하였다. 첫째, 회전축에 브레이크 장치를 만들어 물체에 부하를 주는 방식으로 토크와 힘을 계산하였다. 둘째, 물체를 일정 높이까지 들어 올리는데 걸리는 시간을 이용하여 힘을 구하는 방법을 사용하였다.
이를 통해 스털링엔진의 토크, 회전수, 출력 등의 실험 데이터를 얻었고, 이를 분석하여 스털링엔진의 효율을 계산하였다. 실험 결과와 분석을 토대로 스털링엔진의 특성과 작동 원리에 대한 이해를 높이고자 하였다.
1.2. 스털링 엔진 회전축의 토크와 파워 측정
스털링 엔진 회전축의 토크와 파워 측정은 스털링 엔진의 실험적 연구에서 핵심적인 부분이다. 이를 위해 간단한 실험 장치를 이용하여 회전하는 축의 토크와 힘을 구하는 두 가지 방법이 사용되었다.
첫 번째 방법은 회전하는 축에 브레이크 장치를 만들어 물체를 실에 묶어 회전축에 감는 방식이다. 축이 회전하면서 물체에 달린 실이 축의 회전과 반대방향으로 부하를 주어 물체를 끌어올리려는 힘이 생기게 된다. 물체의 무게 변화를 측정함으로써 토크의 크기를 계산할 수 있다.
두 번째 방법은 물체를 들어 올리는 속도와의 관계로 힘을 구하는 방식이다. 무게를 조금씩 달리하여 물체를 일정 높이까지 올리는데 걸리는 시간을 측정하고, 이를 토대로 각각의 무게에 대한 힘을 구할 수 있다. 이렇게 구한 값들을 "힘-물체의 무게" 그래프에 나타내면 최대의 힘이 나올 때 물체의 무게를 대략적으로 알아낼 수 있다.
실험 결과, 질량 0.094kg에서의 토크가 다른 질량에서의 토크보다 떨어지는 것이 관찰되었다. 이는 제대로 된 실험이라면 질량이 증가할수록 토크도 증가해야 하는데 그렇지 않은 것으로 보인다. 하지만 출력은 질량이 증가함에 따라 커지는 것을 확인할 수 있었다.
또한 물체를 들어 올리는 방법에서도 출력이 질량이 증가함에 따라 커지는 것을 확인할 수 있었다. 다만 0.09kg에서의 시간이 예상과 달리 늘어나지 않은 것으로 보아, 스털링 엔진이 충분한 속도를 내기 전에 실험을 진행했거나 실을 손으로 직접 감아 오차가 발생했을 것으로 추정된다.
종합적으로 볼 때, 스털링 엔진 회전축의 토크와 파워 측정 실험을 통해 스털링 엔진의 구조와 작동원리를 이해하고 효율을 계산할 수 있었다. 다만 실험 결과에서 일부 예상과 다른 결과가 관찰되어 실험 방법 및 환경 등에 대한 개선의 여지가 있음을 확인할 수 있었다.
1.3. 스털링 엔진의 효율 계산
실험을 통해 스털링 엔진 회전축의 토크와 파워를 측정한 결과, 질량 0.094kg에서 토크가 다른 질량에서의 토크보다 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 제대로 된 실험이라면 질량이 증가할수록 토크가 증가해야 한다는 원칙에 어긋나는 결과이다. 하지만 출력의 경우 질량이 증가함에 따라 커지는 것을 그래프를 통해 알 수 있다.
이를 바탕으로 스털링 엔진의 효율을 계산할 수 있다. 효율은 출력을 입력 열량으로 나누어 계산할 수 있는데, 실험 결과에 따르면 질량 증가로 인해 출력이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 효율 또한 질량 증가에 따라 높아질 것으로 예상된다.
질량 0.011kg에서의 출력은 1.235 TIMES 10^{-3} W, 질량 0.032kg에서의 출력은 4.234 TIMES 10^{-3} W, 질량 0.04kg에서의 출력은 5.337 TIMES 10^{-3} W, 질량 0.094kg에서의 출력은 0.012 W로 측정되었다. 이를 통해 질량이 증가할수록 출력이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 스털링 엔진의 효율은 질량 증가에 따라 높아지는 것으로 볼 수 있다. 다만 실험 결과에서 나타난 바와 같이 질량 0.094kg에서의 토크가 다른 질량에 비해 낮게 측정된 것은 실험의 오류로 인한 것으로 보인다. 실제 실험에서는 토크가 질량 증가에 따라 증가해야 하며, 이를 반영한다면 효율 또한 질량 증가에 따라 점차 높아질 것으로 예상된다.""
1.4. 실험 결과 및 토의
실험 결과를 보면 질량이 증가할수록 토크와 출력이 증가하는 경향을 보인다. 그러나 질량 0.094kg에서의 토크가 다른 질량에 비해 낮게 나타났다. 이는 예상했던 것과 달리 질량이 증가할수록 토크가 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이에 대한 원인으로는 실험이 충분한 열과 속도 조건에서 이루어지지 않았기 때문인 것으로 보인다. 스털링 엔진이 충분한 열을 받고 안정적인 속도에 도달할 때까지 충분한 시간을 가지지 않고 바로 실험을 시작했기 때문에 정확한 데이터를 얻지 못한 것으로 판단된다. 또한 실을 손으로 직접 감아서 실험을 진행했기 때문에 이에 따른 오차도 발생했을 것으로 생각된다.
출력의 경우 질량이 증가할수록 출력도 증가하는 경향을 보였다. 두 번째 실험인 물체를 들어 올리는 방법에서도 출력이 질량이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만 0.09kg에서의 물체 들어올리는 시간이 다른 질량에 비해 오히려 감소한 것을 볼 수 있었는데, 이 역시 충분한 열과 속도 조건에서 실험이 이...
