2018년 5월 23일 수요일

집에서 직접 저울 만들기

집에 몸무게 측정하는 저울은 있을 것이다. 이건 아마 눈금이 0.1kg 단위일 것이고 100kg 전후의 몸무게까지 측정할 수 있을 것이다. 만약 고기를 샀다면 1kg 전후일 것인데 이걸 측정하는 1g단위 저울은 집에 없을 것이다. 그래서 만들어 보자.


1. 중심 이동형




길이가 1m 미만인 부러지지 않을 정도의 단단하고 가벼운 막대를 구한다. 여기에 자를 이용해서 5mm 단위의 눈금을 그린 종이를 붙인다. 그리고 스카치테이프로 감싼다. 1mm 단위까지 그리기엔 너무 힘들다. 1mm 단위까지는 눈대중으로 읽는다.

원리는 간단하다. 막대 끝에 기준 무게가 되는 추를 달고, 반대쪽 끝에 측정하고자 하는 물체를 매단다. 이 둘은 빠지지 않도록 고정하도록 한다. 그리고 중앙의 무게 중심을 잡는 부분을 이동시키는 것이다. 막대의 길이가 정밀도를 결정하기 때문에 최대한 이용하는 것이다.

기준이 되는 추는 물통을 이용해서 만든다. 물 1리터가 1kg이다. 물 1리터를 정확히 측정하여 물통에 부어 놓으면 된다. 물통 무게는 아마 수십 그램일 것인데 무시하자. 1g이 지폐 한 장 무게다. 물통, 비닐봉지, 줄 같은 것들 무게는 일단 무시하자.

오차 분석을 하자. 이 저울은 무게중심을 찾아 측정하는 방식이다. 막대의 길이와 눈금의 정밀도가 저울의 정밀도란 것은 쉽게 알 수 있을 것이다. 또한 무게중심이 어디에 있냐에 따라 오차가 다를 수 있다. 무게 중심의 위치(좌우 길이 차이 = 좌우 무게 차이)에 따른 오차 분석을 하자. 눈금이 5mm이기 때문에 눈대중으로 1mm를 잘 못 읽었을 경우의 오차 계산 결과이다. (미분 = 기울기 = 1mm 오차)

그림을 보면 알겠지만 정확한 측정을 하려면 무게중심이 막대의 중심에 있는 것이 좋다. 그 말은 양쪽 물체의 무게가 비슷할 때 정밀하다는 말이다. 즉 보통 고기 1근(600g)을 산다면 기준 무게도 그 정도인 것으로 측정하는 게 정밀하다는 말이다. 즉 무게 차이가 2배 이상 나지 않으면 오차가 균일한 편이다. 정밀하게 눈금을 읽으려면 무게중심과 양쪽 끝에 걸리는 줄의 두께도 얇아야 한다. 줄의 두께는 1mm 정도가 좋을 것이다.

실제로 측정을 해 보니 문제가 생겼다. 양쪽 물체를 바꾸어서 측정해도 같은 결과가 나와야 하는데 다른 값이 나온다. 두 값의 차이가 심각한 수준이다. 왜 그럴까?



2. 중심 고정형





옛날식 저울의 경우는 무게 중심과 기준 무게의 위치가 고정이다. 또는 그 반대로 추(기준 무게)가 이동하는 형식이다. 이런 경우의 오차를 계산해 보자. 이 경우는 양쪽이 균형이 맞는 것보다는 무게 차이가 많이 날수록 오차가 적어진다. 무게 차이가 많이 나면 길이 차이가 많이 나고 그러면 눈금 간격 대비 무게 차이가 작아서 정밀도가 올라간다. 무게 중심을 이동하는 방법보다 추를 이동시키는 방법이 더 정밀하게 무게를 측정할 수 있다. 이 방법으로 측정하면 무게가 맞든 틀리든 일단 산포(분산/퍼짐)가 작다는 장점이 있다. 고로 오차 보정만 하면 아주 정확하다.

동양식 저울을 간단하게 생각했는데 의외로 과학적이다. 무게 차이가 9배 미만이고 눈대중으로 1mm 단위로 눈금을 읽으면 오차는 1% 미만이 되기 때문에 무시할 수 있다.





3. 중심 고정형(o) vs 중심 이동형(x)


그런데 막대의 밀도가 균일하지 않은 경우 좌우 무게 차이가 날 수 있고, 무게 중심이 이동하는 경우에도 길이가 긴 쪽이 여분의 무게를 더 가지게 된다. 이렇게 저울 자체에 의한 편차가 발생하는 경우 오차 분석을 하자. 막대 길이가 길면 작은 무게도 큰 힘을 가지기 때문에 오차가 커진다.



중심 이동형 저울은 좌우 막대 길이 차이에 따라 편차가 계속 변한다. 고로 이 방법은 틀렸다. 중심 고정형인 경우는 무거운 쪽에 무거운 것을 매달면 오차를 줄일 수 있다. 팔의 길이가 짧아져 편차의 영향력이 줄어든다. 더 확실한 방법은 막대 자체의 중심을 미리 잡고 무게 중심을 거기에 고정시키는 것이다. 그러면 막대에 의한 편차는 자동으로 제거 된다.

이렇게 막대 무게 중심을 먼저 찾은 후에 좌우를 바꾸어 측정을 하면 거의 같은 결과가 나온다. 이제 남은 것은 기준 무게를 확실하게 하는 것이다.



4. 교정(Calibration/Correction)


모든 측정기는 정기적으로 교정을 받는다. 측정기가 틀어지거나 조작을 방지하기 위함이다. 측정기 이상을 확인하기 위해서 3개 이상의 측정기를 서로 비교하는 다수결 방식을 쓴다. 2개 중에 1개가 이상하면 어느 쪽이 이상한지 모르기 때문에 3개 이상이 필요하다. 또는 이미 무게/부피 등을 알고 있는 표준 물체를 이용한다.


1. 저울 자체 무게 중심 찾기


앞에서 본 바와 같이 저울 자체의 편차를 없애기 위해서 막대의 무게 중심을 미리 찾는다. 거기가 고정된 중심이다. 이렇게 하면 저울 자체의 편차를 제거할 수 있다.


2. 기준 무게 측정하기


앞에서 본 바와 같이 물통의 무게(수십 그램)가 편차가 된다. 물통의 무게를 알아내는 방법이 있다. 물의 부피를 측정하는 그릇이 하나 있어야 한다. 물의 부피가 곧 무게이기 때문에 물의 무게는 알고 있고 양쪽에 걸리는 물통의 무게(x, y)만 모른다.




측정 오차를 줄이기 위해서 3회 이상 반복 측정한 값을 회귀분석에 이용한다. 회귀분석은 Excel을 이용한다. R²값은 결정계수라고 하는데 상관계수와는 다르다. 그러나 상관계수가 높으면 이 결정계수도 높아진다. 여기선 중요한 값이 아니다. 적당한 기울기와 절편을 구하기 위해서 회귀분석을 한 것이다.

그림을 보면 두 물체의 무게가 비슷한 경우보다 많이 차이가 날 때 측정 산포(흩어짐)가 더 줄어든다. 이 경우가 오차 보정만 하면 더 정확하기 때문에 저울로 적당한 것이다. 즉 저울 막대의 무게 중심과 무겁고 짧은 쪽을 고정시키고 가벼운 쪽을 움직일 때 더 정확하게 측정 가능하다.

이렇게 구한 물병 무게로 보정을 해 주었을 때 오차는 ±10g 미만이고, 비율로는 ±5% 미만에 속한다. (내 저울은 경량~중심~중량에 읽을 눈금이 3개라 1mm 오차라도 누적이 되면 2mm까지 오차가 난다. 무게 오차는 저울 팔 길이가 짧아지면 커진다.) 집에서 대충 만든 저울 치고는 상당히 정확한 편이다. 이 정도면 쓸 만 하지 않은가?

갑자기 저울 만들겠다고 미친놈처럼 이렇게 저렇게 시행착오 하다가 드디어 결론을 냈다. 역시 수학이 답이다. 과학은 수학으로 계산하고 실험으로 확인한다.







독재 잔당을 결국 망하게 할 인터넷 댓글 선동.

1. 욕질
2. 거짓말
3. 바보짓/미친짓

거짓말도 그럴 듯해야 믿어 주는 것이다.
이런 바보짓 하는 애들이 독재 잔당을 지지한다면?
독재 잔당도 바보 되는 거다. 멍청이들은 선동에 쓰지 마라.

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