“Biomechanics is mechanics applied to biology” Y.C. Fung

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학 습 목 표 1. 기체의 압력이 기체 분자의 운동 때문임을 알 수 있다. 2. 기체의 부피와 압력과의 관계를 설명할 수 있다. 3. 기체의 부피와 압력관계를 그리고 보일의 법칙을 이끌어 낼 수 있다.
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2. 속력이 일정하게 증가하는 운동 Ⅲ.힘과 운동 2.여러 가지 운동. 도입 Ⅲ.힘과 운동 2. 여러 가지 운동 2. 속력이 일정하게 증가하는 운동.
철도 유체역학 및 실험 Part 1 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 :
기계공학기초 제8장 유체역학.
1. 실험 목적 회전축에 대한 물체의 관성모멘트를 측정하고 이론적인 값과 비교한다 .
Chapter 5 Flow Analysis Using Differential Methods (유체유동의 미분해석)
적분방법의 연속방정식으로부터 Q=AV 방정식을 도출하라.
Chapter 4 Flow Analysis Using Control Volume(기본법칙의 적분형태)
1-1 일과 일률.
의용생체공학연구소 의학연구원, 서울대학교 이정찬 Ph.D
Final Examination, 2008 Fluid Mechanics Professor Joon Hyun Kim
유체역학 Chapter 1. H.W and Exam
Metal Forming CAE Lab., Gyeongsang National University
센서 9. Force Sensor 안동대학교 물리학과 윤석수.
일(Work)과 역학적 에너지(Mechanical Energy)
14장 유체역학 소금물의 밀도.
질의 사항 Yield Criteria (1) 소재가 평면응력상태에 놓였을 때(σ3=0), 최대전단응력조건과 전단변형에너지 조건은σ1 – σ2 평면에서 각각 어떤 식으로 표시되는가? (2) σ1 =σ2인 등이축인장에서 σ = Kεn로 주어지는 재료의 네킹시 변형율을 구하라.
정량펌프를 이용한 액체유량 측정 및 calibration curve 작성
9장 기둥의 좌굴(Buckling) Fig Columns with pinned ends: (a) ideal column; (b) buckled shape; and (c) axial force P and bending moment M acting at a cross.
10장 고정축에 대한 강체의 회전.
철도 유체역학 및 실험 Part 3 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 :
별의 밝기와 거리[2] 밝다고 가까운 별은 아니야! 빛의 밝기와 거리와의 관계 별의 밝기 결정.
학습 주제 p 역학적 에너지는 보존될까?(1).
고체역학 1 기말고사 학번 : 성명 : 1. 각 부재에 작용하는 하중의 크기와 상태를 구하고 점 C의 변위를 구하시오(10).
레이놀즈 수 실험.
고체의 전도성 Electronic Materials Research Lab in Physics,
2차원 절삭역학 [1] 절삭저항과 전단각 The mechanics of chip formation
2 자동화와 로봇 2 기계 운동의 원리 기계의 이해 기계요소 기계의 동력 전달 과정 금성출판사.
2차원 절삭역학 [1] 절삭저항과 전단각 The mechanics of chip formation
고체역학 2 - 기말고사 1. 단면이 정사각형이고 한번의 길이가 a 일 때, 최대굽힘응력과 최대전단응력의 비를 구하라(10).
CHAPTER 11. Rotation 병진 운동과 회전 운동 일과 회전 운동 에너지 회전 변수 각 관련 성분은 벡터인가?
CHAPTER 4. 2차원 및 3차원 운동 ( Motion in 2D & 3D )
압력과 온도에 따른 기체의 부피변화 상서 중 1102 김강민.
(1st & 2nd Laws of Thermodynamics)
Copyright Prof. Byeong June MIN
1 전기와 전기 회로(03) 전기 회로의 이해 금성출판사.
P 등속 직선 운동 생각열기 – 자동차를 타고 고속도로를 달릴 때, 속력계 바늘이 일정한 눈금을 가리키며 움직이지 않을 때가 있다. 이 때 자동차의 속력은 어떠할까? ( 속력이 일정하다 .)
위치 에너지(2) 들어 올리기만 해도 에너지가 생겨. 탄성력에 의한 위치 에너지.
학습 주제 p 운동 에너지란 무엇일까?(2).
운동법칙과 운동량 힘(force) - 물체에 변형을 일으키거나 물체의 운동상태를 변화(크기, 방향)시키는 원인
고체역학1 기말고사1 2. 특이함수를 이용하여 그림의 보에 작용하는 전단력과 굽힘모멘트를 구하여 작도하라[15]. A C B
식물의 광합성 식물은 어떻게 영양분을 만들까요? 김 수 기.
해외교육실 유체유동 기초.
2장. 일차원에서의 운동 2.1 평균 속도 2.2 순간 속도 2.3 분석 모형: 등속 운동하는 입자 2.4 가속도
기관의 개요 및 기초공학 동력발생 개요 실린더 내에 혼합기를 흡입,압축하여 전기점화로 연소시켜 열에너지를 얻어 이 열에너지 로 피스톤을 움직여 기계적 에너지를 얻는다. 열효율은 30% 가량 열에너지 → 기계적 에너지로 변화시켜 이용.
2장 변형률 변형률: 물체의 변형을 설명하고 나타내는 물리량 응력: 물체내의 내력을 설명하고 나타냄
벡터의 성질 - 벡터와 스칼라 (Vector and Scalars) - 벡터의 합 -기하학적인 방법
(생각열기) 요리를 할 때 뚝배기로 하면 식탁에 올라온 후에도 오랫동 안 음식이 뜨거운 상태를 유지하게 된다. 그 이유는?
비열.
7장 전위이론 7.2 금속의 결정구조 7.4 인상전위와 나선전위 7.5 전위의 성질.
Chapter 1 단위, 물리량, 벡터.
덴마크의 Herrzsprung과 Russell에 의해 고안된 태양 부근 별들의 표면온도와 절대등급 사이의 관계를 조사한 결과 별들이 몇개의 무리로 분류된다는 사실을 알았다. 후에 이것이 그들의 이름자를 딴 H-R도가 되었으며, 별의 분류와 그 특징을 알아보는 중요한.
행성을 움직이는 힘은 무엇일까?(2) 만유인력과 구심력 만유인력과 케플러 제3법칙.
문제: 길이 1. 5m의 봉을 두 번 인장하여 길이 3. 0m로 만들려고 한다 아! 변형(deformation)
학습 주제 p 끓는점은 물질마다 다를까.
열역학 Fundamentals of Thermodynamics(7/e) RICHARD E
3.3-2 운동 에너지 학습 목표 1. 운동에너지의 정의를 설명할 수 있다. 2. 운동에너지의 크기를 구할 수 있다.
유체 속에서 움직이는 것들의 발전 진행하는 추진력에 따라 압력 차이에 의한 저항력을 가지게 된다. 그런데, 앞에서 받는 저항보다 뒤에서 받는 저항(흡인력)이 훨씬 더 크다. 유체 속에서 움직이는 것들은 흡인에 의한 저항력의 최소화를 위한 발전을 거듭한다. 그것들은, 유선형(Streamlined.
7장 원운동과 중력의 법칙.
기체상태와 기체분자 운동론!!!.
What is the Fluid Mechanics?
고체역학1 중간고사1 부정행위는 친구의 죽이기 위해서 자신의 영혼을 불태우는 행위이다! 학번 : 이름 :
유체 밀도와 압력 고체 물질의 상태 유체 액체 기체 플라스마 유체 흐를 수 있는 물질 담는 그릇에 따라 모양이 정해짐
모세관 현상과 표면장력 원리 학번 : 이름 : 황규필.
회로 전하 “펌핑”; 일, 에너지, 그리고 기전력 1. 기전력(electro-motive force: emf)과 기전력장치
Ⅱ. 분자의 운동 1. 움직이는 분자.
: 3차원에서 입자의 운동 방정식 제일 간단한 경우는 위치만의 함수 : 시간, 위치, 위치의 시간미분 의 함수
비열 학습 목표 비열이 무엇인지 설명할 수 있다. 2. 비열의 차이에 의해 나타나는 현상을 계산할 수 있다.
Ch. 11 각운동량(Angular Momentum)
Presentation transcript:

“Biomechanics is mechanics applied to biology” Y.C. Fung

Mechanics 4 Mechanics 고체역학 : Solid Mechanics 동역학 : Dynamics Solid Mechanics : deformation and fracture Statics : ∑F=0 and ∑M=0 동역학 : Dynamics Kinematics (기구학) : 운동의 형태 Kinetics (운동역학) : ‘힘’과 ‘에너지’ 유체역학 : Fluidics (Fluid Mechanics) 유체정역학 : 비점성, 비압축성 유체동역학 : 점성, 압축성(기체)

열역학 : Thermodynamics 열역학 제0법칙 : 열적 평형 상태 열역학 제1법칙 : 열 시스템의 내부 에너지는 시스템에 가해진 열에너지와 시스템이 외부에 한 -(일)의 합이다. 열역학 제2법칙 : 시스템의 총 엔트로피는 시간을 따라 증가하려는 경향이 있다. 열역학 제3법칙 : 절대영도에 다가갈수록 엔트로피는 최소값상수로 수렴 엔트로피(일로 변환할 수 없는 에너지, 무질서도) 열전달(전도,대류,복사) 열기관 (냉동기)

Vector Mechanics Vector Math. 2D Norm Angle

3D

Vector 연산 Summation Product Dot Product (내적) : 힘,변위,일… Cross Product (외적) : 토크, 모멘트, 비틀림…

Dot Product (내적) : 스칼라값  힘,변위,일 힘을 F, 변위를 s, 힘과 변위 사이의 각을 θ라고 할 때, 일 W는                 

Cross Product (외적) : 토크, 모멘트, 비틀림…

>> %(a) First write the direction vector d that points along F >> % as a 1D array: >> d = [12 -15 9] d = 12 -15 9 >> % Now write the unit vector of F, giving its direction: >> unit_vector = d/norm (d) unit_vector = 0.5657 -0.7071 0.4243 >> % F consists of the magnitude 10 kN times this unit vector >> F = 10*unit_vector F = 5.6569 -7.0711 4.2426 >> % Or, more directly >> F = 10*(d/norm(d) ) >> % (b) First write the vector r_xz that points in the xz plane: >> r_xz = [12 0 9] r_xz = 12 0 9 >> % The dot product is given by the sum of all the term by term >> % multiplications of elements of vectors F and r_xz >> F_dot_r_xz = sum(F.*r_xz) >> % or simply, dot(F,r_xz) F_dot_r_xz = 106.0660 >> % (c) Cross F with a vector that points from the origin to F. >> % The cross product is given by the cross function >> r_xz_cross_F = cross(r_xz,F) r_xz_cross_F = 63.6396 0 -84.8528 >> % Note that the cross product is not commutative >> cross(F,r_xz) ans = -63.6396 0 84.8528 >> % Vectors are added and subtracted in MATLAB using the + and - >> %operations, respectively.

Coordinate Transformation

Euler Angle

% eulerangles.m % % Euler angles for y-x-z rotation sequence % using MATLAB symbolic math toolbox % x, y and z are thetax, thetay and thetaz, respectively % First define them as symbolic variables syms x y z % Writing equations 4.21–23 as a matrix A A = [ cos(y), 0, -sin(y); 0, 1, 0; sin(y), 0, cos(y)] % equations 4.24–26 as matrix B B = [ 1, 0, 0; 0, cos(x), sin(x); 0, -sin(x), cos(x)] % and equations 4.27–29 as matrix C C = [ cos(z), sin(z), 0; -sin(z), cos(z), 0; 0, 0, 1] % The matrix equation 4.30 is created by multiplying matrices C, B % and A D = C*B*A >> eulerangles D = [cos(z)*cos(y)+sin(z)*sin(x)*sin(y), sin(z)*cos(x), -cos(z)*sin(y)+sin(z)*sin(x)*cos(y)] [-sin(z)*cos(y)+cos(z)*sin(x)*sin(y), cos(z)*cos(x), sin(z)*sin(y)+cos(z)*sin(x)*cos(y)] [cos(x)*sin(y), -sin(x), cos(x)*cos(y)]

>> eulangle(30,20,10) ans =0.9254 0.3188 -0.2049 function y = cosd(x) %COSD(X) cosines of the elements of X measured in degrees. y = cos(pi*x/180); function y = sind(x) %SIND(X) sines of the elements of X measured in degrees. y = sin(pi*x/180); function D = eulangle (thetax, thetay, thetaz) %EULANGLE matrix of rotations by Euler’s angles. % EULANGLE(thetax, thetay, thetaz) yields the matrix of % rotation of a system of coordinates by Euler’s % angles thetax, thetay and thetaz, measured in degrees. % Now the first rotation is about the x axis, so we use eqs. 4.24–26 A = [ 1 0 0 0 cosd(thetax) sind(thetax) 0 -sind(thetax) cosd(thetax) ]; % Next is the y axis rotation (Eqs. 4.21–23) B = [ cosd(thetay) 0 -sind(thetay) 0 1 0 sind(thetay) 0 cosd(thetay) ]; % Finally, the z axis rotation (Eqs. 4.27–29) C = [ cosd(thetaz) sind(thetaz) 0 -sind(thetaz) cosd(thetaz) 0 0 0 1 ]; % Multiplying rotation matrices C, B and A as in Eq. 4.30 gives the solution: D=C*B*A; >> eulangle(30,20,10) ans =0.9254 0.3188 -0.2049 -0.1632 0.8232 0.5438 0.3420 -0.4698 0.8138

Static Equilibrium ‘정지’된 물체에 작용하는 힘과 모멘트 고려 힘의 합=0 모멘트의 합=0

가정 풀리의 직경은 무시 줄에 걸리는 장력은 줄 전체로 동일(T=F1=F2=F3) i, j 성분끼리

x components y components Sol.

z R y y F2, F3

Moment of Inertia 물체의 회전력을 지속하게끔 하는 질량분포에너지 (물체 각 부분의 질량)X(회전축까지의 거리)^2 의 합

Mechanics of Materials Stress(응력) Strain(변형율) Elastic Modulus

Poisson’s Ratio : 축방향 strain에 대한 횡방향 strain의 비

Stress-strain curve

Brittle vs. Ductile

Spring-back hysteresis

Viscoelastic Model K B 스프링 상수 : K  F=Kx 댐핑 상수 : B  F=B*dx/dt=Bv

맥스웰 모델 dx/dt=1/K*dF/dt+1/B*F F(t)=K*x1(t) F(t)=B*dx2(t)/dt x(t)=x1(t)+x2(t) dx1(t)/dt=1/K* dF(t)/dt dx2(t)/dt=1/B* F(t) dx(t)/dt=dx1(t)/dt+dx2(t)/dt  dx(t)/dt = 1/K*dF(t)/dt + 1/B*F(t) K x1(t) x(t) B x2(t) F(t) dx/dt=1/K*dF/dt+1/B*F

보이트 모델 F=Kx+B*dx/dt F1(t)=K*x(t) F2(t)=B*dx(t)/dt F(t)=F1(t)+F2(t) F(t)=K*x(t) + B*dx(t)/dt B K x F1 F2 F=Kx+B*dx/dt F

켈빈 모델 ? K x K B F1 F2 F+B/K*dF/dt=Kx+2B*dx/dt F

Sol) F+B/K*dF/dt=Kx+2B*dx/dt 맥스웰 모델이므로… dx/dt=1/K*dF2/dt + 1/B*F2 F1=K*x F=F1+F2 F2=F-F1  dF2/dt=dF/dt-dF1/dt …… (1) 또한 F2=F-F1=F-K*x …… (2) 식 (1),(2)를 가정 1)에 넣으면, dx/dt = 1/K*(dF/dt-dF1/dt) + 1/B*(F-K*x) F1=K*x  dF1/dt=K*dx/dt 이므로 dx/dt = 1/K*dF/dt – dx/dt + F/B – K/B*x 양변에 B를 곱해주고 정리하면… K x x K B F1 F2 F F+B/K*dF/dt=Kx+2B*dx/dt

Simple Spring Model : F=Kx

Maxwell Model : dx/dt=1/K*df/dt+1/B*F

Voight Model : F=Kx+B*dx/dt

Kelvin Model : F+B/K*dF/dt=Kx+2B*dx/dt

Motion Capture

Gait Analysis

Kinematic data analysis Kinetic data analysis

9세, 뇌성마비 환자의 Gait Analysis

생체유체역학 유체역학 연속체(continuum) 유체의 밀도 유체 : 기체와 액체 유체의 운동을 기술 유체: 분자들의 집합체 분자간의 거리는 분자의 직경에 비해 매우 크다 분자는 고정되어 있지 않고 자유롭게 움직임 유체의 밀도 밀도는 실질적으로 점함수 유체성질은 공간에서 연속적으로 변화

점성과 전단응력 압력, 온도, 밀도 : 시스템의 특성을 나타내는 열역학적 변수 점도 : 움직이는 유체에서의 국소응력과 유체요소의 변형률(strain)과의 관계

뉴턴유체 전단응력과 전단변형율이 선형적인 관계를 가지는 유체

레이놀즈수 (Reynolds number) 비압축성, 압축성 유동 연속식을 간단하게 하기 위해 밀도변화를 무시 : 비압축성 대부분의 공학적 유동을 비압축성 유동으로 해석 예외) 고속기체유동 : 비행기 엔진 내의 유동 등… 레이놀즈수 (Reynolds number) 무차원변수 : 층류유동과 난류유동을 구분하는 기준 점성력에 대한 관성력의 비 Re가 매우 작은 경우 : 점성력이 지배, 관성을 무시 Re가 매우 큰 경우: 관성력이 지배, 점성의 효과를 무시 유체밀도 ρ, 점성계수 μ, 특성길이 l, 속도 V

층류유동 (Laminar flow) 유체의 입자가 서로 층을 이루어, 뒤섞임 없이 질서있게 흐르는 상태 원형관 내에서의 층류유동 벽부근 속도는 0, 관의 중앙에서 최대 관내에서 속도분포는 포물선 평균속도는 중심속도의 약 0.5배 Re < 2000

난류유동 (Turbulent flow) 유선이 발견되지 않음 유체는 질량의 소용돌이 속도분포 : 중앙에서 최대, 벽부근에서 중앙의 절반 정도 원형관에서 Re > 2000 일 때 발생

표면장력(Surface Tension) 표면장력 : 액체와 기체 사이, 또는 섞이지 않는 두 액체 사이의 경계면을 따라 힘이 발생 실제 막이 존재하는 것은 아님 액체 방울이 여러 표면에서 일어나는 다른 현상 : 액체 표면의 분자들에 작용하는 응집력의 불균형에서 기인 응집력의 불균형 : 액체 덩어리 내부의 분자는 주변 분자들에 의해 같은 크기로 끌어당겨짐 – 액체 표면에 있는 분자가 다른 분자들에 의해 받는 힘들의 합은 그 방향이 액체 내부를 향하게 됨 표면장력 : 액체 표면 위에 있는 가상의 단위 길이의 선을 따라 작용하는 분자 간의 인력의 강도 (N/m) 액체의 온도가 높아질수록 작아짐

접촉각(Contact Angle) 모세관에서의 상승 접촉각 : 액체와 튜브벽에 의해 결정 튜브벽-액체 사이의 부착력이 액체분자들 사이의 응집력을 극복할 수 있을 정도로 강해서, 액체가 튜브벽을 따라 상승: 이경우, 액체는 고체표면(튜브벽)을 적신다(wet)고 함 액체기둥의 높이: 표면장력, 튜브의 반경, 액체의 비중량 그리고 액체와 튜브 사이의 접촉각이 결정 접촉각 : 액체와 튜브벽에 의해 결정 물이 깨끗한 유리와 접촉하고 있는 경우 높이는 튜브의 반경에 반비례, 모세관 현상은 튜브의 반경이 작아질수록 더 뚜렷해짐

접촉각 작은 튜브에서의 모세관현상 튜브를 적시는 액체기둥의 오름 높이 계산을 위한 자유물체도 튜브를 적시지 않는 액체기둥의 내려감

접촉각 측정 생체재료의 혈액적합성/생체적합성을 판단하는 중요한 기준 중 하나

베르누이 방정식 마찰이 없는 정상유동에서의 압력,속도 및 높이 사이의 관계 제약이 있음: 유체의 점성에 의한 마찰

정압(static pressure), 정체압(stagnation pressure), 동압(dynamic pressure) P 정압(static pressure) : 유체가 유동할 때 실제적인 열역학적인 압력- 유체를 따라가면 측정 γz 정수압(hydrostatic pressure) : 높이 변화에 따른 유체의 위치에너지 변화에 따른 압력변화 V2/2g 동압(dynamic pressure) 정체유선(stagnation streamline) 유동하는 유체 속에 놓인 물체 위 유속이 0 이 되는 지점 물체 위를 돌아가는 유동과 아래로 돌아가는 유동을 나누는 경계선 정체압(stagnation pressure) : 주어진 유선 위에서 가질수 있는 가장 높은 압력- 모든 운동에너지가 압력의 상승으로 변환 전압(total pressure) : 정압 + 정수압 + 동압 베르누이 방정식 : 유선을 따라 전압이 항상 일정하다

정압(static pressure), 정체압(stagnation pressure), 동압(dynamic pressure)

오리피스, 노즐, 벤츄리 베르누이 방정식의 원리를 이용하여 유체의 속도와 유량을 측정할 수 있는 장치 점성이나 압축성의 영향이 없는 이상적인 유량계 파이프 속에 방해물을 설치 저속-고압인 상류의 단면과 고속-저압인 하류의 단면 사이의 압력차를 측정

Poiseuille flow 일정한 단면을 가진 원형튜브내를 흐르는 정상, 층류유동 튜브의 반지름이 2배 늘어나면 유량은 16배로 증가 (관저항이 1/16로 감소) 튜브의 반지름이 ½로 줄어들면 유량은 1/16으로 감소 (관저항이 16배로 증가)

유체역학에서 중요한 무차원 변수들

다음 그림과 같은 도관을 따라 유체가 흐르고 있다 다음 그림과 같은 도관을 따라 유체가 흐르고 있다. 이 유체의 특성은 비점성이며 비압축성인 뉴톤유체이며(invicid and incompressible Newtonian fluid)하며, 관내에서의 유동은 층류(laminar flow)이다. 그림 (a)와 (b)의 단면적의 합이 같다고 할 경우, 그림 (a)를 통해서 흐르는 유체의 량이 Q라 할 때, 그림 (b)의 도관을 통해서 흐르는 유체의 량은 얼마인가 ? (단, 두 그림의 도관의 길이는 같고, 압력경사도 동일함) ※ 필요한 변수들을 도입하여 구하라.