스프링 상수: 스프링의 단 하나의 숫자

**힘을 유지하기.** 밸브 스프링, 디텐트, 브러시 스프링, 빨래집게. 중요한 것은 작동 위치에서의 힘과, 마모가 진행되어도 그 힘이 거의 변하지 않는다는 점이다. 예압이 충분한 부드러운 스프링이 단단한 스프링보다 이 역할을 더 잘 수행하는데, 힘이 천천히 줄어들기 때문이다. **에너지 저장.** 태엽, 새총, 스프링 구동 장난감. 중요한 것은 총 에너지이며, 이는 힘-변위 선 아래의 면적과 같으므로 높은 힘보다 긴 행정이 더 가치가 있다. **충격 흡수.** 서스펜션 스프링, 완충기, 도어 스톱. 중요한 것은 힘이 허용 가능한 수준을 유지하면서 얼마나 멀리 움직일 수 있는가이며, 적은 바닥치기(bottoming out) 상태로, 이때 힘은 수직으로 치솟는다. **강성은 세 가지를 하나로 묶는다.** 단위는 뉴턴 매 밀리미터(또는 파운드 매 인치)이며, 코일 스프링은 거의 전체 행정에 걸쳐 이 값을 일정하게 유지한다. 이러한 선형성은 자연의 법칙이 아니라 기하학적 형상의 특성이며, 코일끼리 맞닿기 시작하면 더 이상 성립하지 않는다. **강성이 알려주지 않는 두 가지.** 스프링이 정지 상태일 때 받는 힘의 크기는 바로 **예압**이며, 이는 스프링 자체가 아니라 조립 방식에 의해 결정된다. 그리고 파손되기 전까지 얼마나 움직일 수 있는가는 응력 문제이며 다음 단계의 주제이다.

**한 점만으로 측정하지 마십시오.** 단일 하중과 단일 길이만으로는 아무것도 알 수 없습니다. 하중을 측정할 때 기준이 된 자유 길이를 모르고, 스프링이 선형인지도 확인할 수 없기 때문입니다. **먼저 자유 길이를 측정하십시오.** 스프링을 작업대 위에 놓고 아무것도 닿지 않은 상태에서 측정하여 기록하십시오. 인장 스프링은 후크(갈고리) 안쪽 면 사이의 길이를 재고, 메모에 그 사실을 명시하십시오. 측정 방식에는 세 가지 관례가 있으며 그 차이는 한 권선(coil)만큼 날 수 있기 때문입니다. **그다음 사용 범위 전체에서 최소 다섯 개 점을 취하십시오.** 인장 스프링에는 알려진 무게추를 매달고, 압축 스프링은 바이스에 물려 힘 측정기로 눌러 보십시오. 변위가 아닌 하중과 길이를 기록하십시오. 변위는 계산으로 얻는 값이며, 변위를 기록하면 자유 길이의 실수가 가려지기 때문입니다. **그래프를 그려 직선을 확인하십시오.** 직선이면 강성은 그 기울기입니다. 끝에서 위로 휘는 곡선은 코일이 서로 닿기 시작했거나, 인장 스프링의 후크 여유가 소진되었음을 뜻합니다. 그래프가 자유 길이를 지나지 않는다면 스프링에 초기 장력(initial tension)이 있다는 뜻입니다. 이는 인장 스프링에서는 정상이지만, 압축 스프링에서는 결함입니다. **기울기는 직선 구간에서만 맞추십시오.** 첫 점과 마지막 점으로 강성을 구하는 것이 가장 흔한 오류입니다. 마지막 점은 대개 직선 구간을 벗어난 점이기 때문입니다. **이때 유효 권선 수를 세십시오.** 전체 권선 수에서 양 끝의 비활성(dead) 권선을 뺀 값입니다. 양 끝을 갈아 평평하게 만든(squared and ground) 압축 스프링의 경우 대략 2를 뺍니다. 형상으로 계산한 강성과 측정한 강성이 약 10% 이상 차이 나면, 유효 권선 수를 잘못 세었거나 선재 지름을 잘못 측정한 것입니다.

**코일 밀착.** 압축 스프링을 충분히 누르면 모든 코일이 이웃 코일과 맞닿습니다. 이 시점에서 스프링은 강철 튜브가 됩니다. 강성은 사실상 무한대가 되고, 스프링을 누르는 힘은 이제 단단한 기둥을 하중으로 받게 됩니다. 이 상태에 도달하도록 설계된 것은 없지만, 이런 일이 생기는 경우는 매우 많습니다. **고리 한계 초과.** 인장 스프링을 너무 세게 당기면 코일이 변형되기 전에 끝 고리가 먼저 펴집니다. 힘-변위 곡선이 완만해지다가 결국 고리가 영구적으로 벌어집니다. **영구 변형(셋).** 선재의 항복점을 넘는 하중을 받으면 스프링은 부러지지 않고 원래 길이보다 짧아진 상태로 돌아옵니다. 강성은 변하지 않지만, 자유 길이가 줄었기 때문에 모든 힘의 값이 낮아집니다. 이것은 조용한 파손이며, '힘이 약해졌다'고 여겨지는 스프링이 대개 연해진 것이 아니라 길이가 짧아진 것으로 측정되는 이유입니다. **좌굴.** 길고 가는 압축 스프링은 곧게 압축되지 않고 옆으로 튀어나갑니다. 이는 강도 파손이 아니며 별도의 단계로 다뤄야 합니다. **서지.** 충분히 빠르게 반복 작동하면 스프링 자체의 코일이 공진하고 파동이 그 안을 따라 이동합니다. 그러면 스프링은 작동 변위로 예상되는 것보다 훨씬 큰 응력을 받게 됩니다. 밸브 스프링에 고유 진동수를 명시하는 이유가 바로 이것입니다. **공통된 맥락:** 이 모든 것은 강성이 아니라 DEFLECTION에 대한 한계입니다. 스프링은 그 지점에 도달하기 전까지 선형적이고 잘 작동하지만, 그 한계점이 어디인지 아는 것이 강성 값보다 더 중요합니다.