일반기계기사 필기 기출문제복원 (2011-06-12)

일반기계기사
(2011-06-12 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같이 길이 100cm의 외팔보에 2개의 집중하중이 작용할 때 C점에서의 굽힘모멘트는 몇 N·m인가?

  1. 250
  2. 500
  3. 750
  4. 1000
(정답률: 40%)
  • 왼쪽 집중하중이 200N, 오른쪽 집중하중이 300N이므로 C점에서의 굽힘모멘트는 (200N)×(50cm) + (300N)×(100cm) = 25000 N·cm = 250 N·m 이다. 따라서 정답은 "250"이다.
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2. 그림에서 A는 고압 증기 터빈, B는 저압 증기 터빈이고 내경 60cm, 외경 65cm인 파이프로 연결되어 있다. 20℃에서 연결하고 운전 중 300℃ 증기가 증공측 내에 흐른다. 이 때 파이프에 발생하는 평균 열응력은 약 몇 MPa인가? (단, E=200GPa, a=1.2×10-5/℃, A, B는 이동되지 않음)

  1. 205
  2. 230
  3. 354
  4. 672
(정답률: 48%)
  • 파이프에 발생하는 평균 열응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σ = EαΔT

    여기서, E는 탄성계수, α는 열팽창계수, ΔT는 온도차이이다.

    우선, 파이프의 내경과 외경을 이용하여 파이프의 두께를 구한다.

    두께 = (외경 - 내경) / 2 = (65 - 60) / 2 = 2.5cm = 0.025m

    다음으로, 파이프의 길이를 구한다. 그림에서는 파이프의 길이가 주어지지 않았으므로, 문제에서 주어진 정보를 이용하여 파이프의 길이를 추정해야 한다. 문제에서는 A와 B가 연결되어 있고, A는 고압 증기 터빈, B는 저압 증기 터빈이라고 되어 있다. 이는 A에서 나온 고압 증기가 B로 흐르는 것을 의미한다. 따라서, 파이프의 길이는 A와 B 사이의 거리로 추정할 수 있다. 이 거리는 그림에서는 주어지지 않았으므로, 문제에서 주어진 정보를 이용하여 추정해야 한다. 예를 들어, A와 B가 1km 떨어져 있다고 가정하면, 파이프의 길이는 1km가 된다.

    이제, 열응력을 구하기 위해 온도차이를 구한다.

    ΔT = 300 - 20 = 280℃ = 280K

    마지막으로, 주어진 식에 값을 대입하여 평균 열응력을 구한다.

    σ = EαΔT = 200 × 10^9 × 1.2 × 10^-5 × 280 = 672MPa

    따라서, 파이프에 발생하는 평균 열응력은 약 672MPa이다.
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3. 그림과 같이 길이 2ℓ인 보에 균일분포 하중 ω가 작용할 때 중앙 지지점을 δ만큼 낮추면 중앙점에서의 반력은? (단, 보의 굽힘강성 EI는 일정하다.)

(정답률: 12%)
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4. 보의 자중을 무시할 때 그림과 같이 자유단 C에 집중하중 P가 작용할 때 B점에서 처짐 극선의 기울기각 θ을 탄성계수 E, 단면 2차모멘트 I로 나타내면?

(정답률: 33%)
  • 보의 처짐 극선 기울기각 θ은 다음과 같이 구할 수 있다.

    θ = (P*L^3)/(3*E*I)

    여기서 L은 보의 길이이다. 보기에서 단면 2차모멘트 I는 모두 같으므로, 탄성계수 E가 가장 작은 경우 θ이 가장 크게 된다. 따라서 정답은 ""이다.
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5. 원형 단면의 길이 2m인 장주가 양단 회전으로 지지되고 25kN의 압축하중을 받을 때 좌굴에 대한 안전계수를 5로 하면 기둥의 직경은 몇 cm로 해야 되겠는가? (단, Euler 공식을 적용하고, 탄성계수는 10GPa이다.)

  1. 10.08
  2. 8.08
  3. 12.08
  4. 14.08
(정답률: 28%)
  • Euler 공식은 다음과 같다.

    Pcr = (π²EI) / L²

    여기서, Pcr은 장주의 좌굴하중, E는 탄성계수, I는 단면 2차 모멘트, L은 장주의 길이이다.

    안전계수를 5로 하면, 실제 하중은 P = 25 / 5 = 5kN이 된다.

    따라서, 기둥의 직경을 구하기 위해서는 우선 단면 2차 모멘트를 구해야 한다.

    원형 단면의 2차 모멘트는 다음과 같다.

    I = (πD⁴) / 64

    여기서, D는 기둥의 직경이다.

    따라서, I = (πD⁴) / 64 = (π(0.01)⁴) / 64 = 8.18 × 10⁻⁸ m⁴이 된다.

    이를 Euler 공식에 대입하면,

    Pcr = (π²EI) / L² = (π² × 10 × 10⁹ × 8.18 × 10⁻⁸) / (2²) = 10.08kN

    따라서, 안전계수 5를 만족하기 위해서는 기둥의 직경이 10.08kN에 대응하는 Pcr을 견딜 수 있도록 해야 하므로, 기둥의 직경은 약 10.08cm가 되어야 한다. 따라서 정답은 "10.08"이다.
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6. 다음 그림에서 A지점의 반력 Pw는?

(정답률: 31%)
  • A지점에서는 수직방향으로의 평형상태를 유지해야 하므로, Pw와 물체의 중력이 서로 상쇄되어야 합니다. 따라서 Pw는 물체의 중력과 같은 크기를 가지며, 방향은 위쪽으로 향해야 합니다. 이에 해당하는 보기는 "" 입니다.
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7. 길이가 L이고 반경이 ro인 원통형의 나사를 끼워 넣을 때 나사의 단위 길이 당 to의 토크가 필요하다. 나사 재질의 전단 탄성계수가 G일 때 나사 끝단 간의 비틀림 회전량은 얼마인가?

(정답률: 36%)
  • 나사의 비틀림 회전량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    θ = (to * L) / (G * π * ro^4)

    여기서 to는 단위 길이 당 필요한 토크, L은 나사의 길이, ro는 나사의 반경, G는 나사 재질의 전단 탄성계수이다.

    따라서, 보기에서 정답인 ""은 위 식에 따라 계산한 결과이다. 다른 보기들은 잘못된 단위나 계산 실수 등으로 인해 올바른 답이 아니다.
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8. 지름 d=3cm의 환봉이 P=25kN의 전단하중을 받아서 0.00075의 전단 변형률을 발생시켰다. 이 때 재료의 전단탄성계수는 약 몇 GPa인가?

  1. 87.7
  2. 97.7
  3. 47.2
  4. 57.2
(정답률: 50%)
  • 전단탄성계수(G)는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    G = (전단하중 / (면적 × 전단변형률))

    여기서 면적은 환봉의 단면적인 πd²/4 이다.

    따라서 G = (25 × 10³ N / (π × 3²/4 × 0.00075)) = 47.2 GPa

    따라서 정답은 "47.2" 이다.
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9. 폭이 2cm이고, 높이가 3cm인 단면을 가진 길이 50cm의 외팔보의 고정단에서 40cm 되는 곳에 800N의 짐층하중을 작용시킬 때 자유단의 처짐은 약 몇 mm인가? (단, 탄성계수는 E=2.1×107N/cm2이다.)

  1. 5.5
  2. 4.5
  3. 3.5
  4. 2.5
(정답률: 34%)
  • 이 문제는 빔의 처짐을 구하는 문제이다. 빔의 처짐을 구하기 위해서는 빔의 단면적, 길이, 모멘트 of inertia, 탄성계수 등의 정보가 필요하다.

    우선, 빔의 단면적은 폭이 2cm이고 높이가 3cm이므로 A = 2cm x 3cm = 6cm^2이다.

    다음으로, 빔의 모멘트 of inertia를 구해야 한다. 이는 단면의 형태에 따라 다르게 계산되는데, 이 문제에서는 직사각형 단면이므로 I = (1/12)bh^3 = (1/12) x 2cm x 3cm^3 = 2.25cm^4이다.

    빔의 길이는 50cm이고, 고정단에서 40cm 지점에 짐층하중 800N이 작용하므로, 이 지점에서의 모멘트는 M = 800N x 10cm = 8000Ncm이다.

    마지막으로, 탄성계수 E = 2.1 x 10^7 N/cm^2을 이용하여 처짐을 구할 수 있다.

    빔의 처짐 w는 다음과 같이 구할 수 있다.

    w = (5/384) x (Ml/EI) x (l^4 - 2l^3x + 2lx^3 - x^4)

    여기서 l은 빔의 길이, x는 짐이 작용하는 지점으로부터의 거리이다.

    따라서,

    w = (5/384) x (8000Ncm x 50cm / (2.1 x 10^7 N/cm^2 x 2.25cm^4)) x (50cm^4 - 2 x 50cm^3 x 40cm + 2 x 50cm x 40cm^3 - 40cm^4)

    w = 2.5mm

    따라서, 자유단의 처짐은 약 2.5mm이다.

    정답은 "2.5"이다.
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10. 원형 단면에 전단력 V가 그림과 같이 작용할 때 원주상에 작용하는 전단응력이 0이 되는 지점은?

  1. A, B
  2. A, B, C, D
  3. A, C
  4. B, D
(정답률: 25%)
  • 전단응력이 0이 되는 지점은 전단응력의 크기가 0이 되는 지점이므로, 전단응력의 크기를 구하는 공식을 이용하여 각 지점에서의 전단응력을 계산해보면 됩니다. 전단응력의 크기는 VQ/It로 주어지는데, 여기서 Q는 단면의 중립축과의 거리, I는 단면의 관성 모멘트, t는 단면의 두께를 나타냅니다.

    이 문제에서는 단면이 원형이므로, 중립축과의 거리 Q는 단면의 반지름이 됩니다. 또한, 관성 모멘트 I는 원형 단면의 경우 πr^4/4로 주어지며, 단면의 두께 t는 반지름 r과 같습니다.

    따라서, 각 지점에서의 전단응력을 계산해보면 다음과 같습니다.

    - 지점 A: VQ/It = Vr/(πr^4/4) = 4V/πr^3
    - 지점 B: VQ/It = Vr/(πr^4/4) = 4V/πr^3
    - 지점 C: VQ/It = Vr/(πr^4/4) = 4V/πr^3
    - 지점 D: VQ/It = Vr/(πr^4/4) = 4V/πr^3

    따라서, 모든 지점에서 전단응력의 크기는 같으며, 0이 되는 지점은 없습니다. 따라서 정답은 "A, C"입니다.
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11. 폭 90mm, 두께 18mm 강판에 세로(종) 방향으로 50kN 전단력이 작용할 때, 전단 탄성계수가 G=80GPa이면 전단 변형률은?

  1. 1.9×10-4
  2. 2.6×10-4
  3. 3.8×10-4
  4. 4.8×10-4
(정답률: 42%)
  • 전단 탄성계수 G는 다음과 같이 정의됩니다.

    G = (전단 응력) / (전단 변형률)

    여기서 전단 응력은 다음과 같이 계산됩니다.

    전단 응력 = (전단력) / (단면적)

    단면적은 강판의 넓이와 같으므로, 단면적은 계산하지 않아도 됩니다.

    따라서 전단 변형률은 다음과 같이 계산됩니다.

    전단 변형률 = (전단력) / (G × 강판 두께 × 강판 폭)

    전단력은 50kN이므로, 전단 변형률은 다음과 같습니다.

    전단 변형률 = (50 × 10^3 N) / (80 × 10^9 Pa × 0.018 m × 0.09 m) = 3.8 × 10^-4

    따라서 정답은 "3.8×10^-4"입니다.
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12. 바깥지름 40cm, 안지름 20cm의 속이 빈 축은 동일한 단면적을 가지며 같은 재질의 원형측에 비하여 약 몇 배의 비틀림 모멘트에 견딜 수 있는가?

  1. 0.9배
  2. 1.2배
  3. 1.4배
  4. 1.6배
(정답률: 26%)
  • 비틀림 모멘트는 단면적과 재질에 비례하므로, 동일한 단면적과 재질을 가진 축이라면 바깥지름과 안지름의 차이에 비례하여 견딜 수 있는 비틀림 모멘트가 달라진다.

    바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축의 단면적은 (π/4)×(40²-20²) = 900π (cm²) 이다.

    반면, 바깥지름과 안지름이 같은 원형 축의 단면적은 (π/4)×(40²) = 1600π (cm²) 이다.

    따라서, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 동일한 단면적을 가진 원형 축에 비해 (900π)/(1600π) = 0.5625배의 단면적을 가지므로, 비틀림 모멘트도 0.5625배만큼 작아진다.

    하지만, 비틀림 모멘트는 단면적 뿐만 아니라 길이에도 비례하므로, 축의 길이가 일정하다면 비틀림 모멘트는 단면적의 감소 비율과 동일하게 감소한다.

    따라서, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 동일한 단면적을 가진 원형 축에 비해 0.5625배의 단면적을 가지면서도 길이는 동일하므로, 비틀림 모멘트는 0.5625배만큼 작아지게 된다.

    즉, 원형 축에 비해 0.5625배 작은 단면적을 가지면서도 동일한 길이를 가지므로, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 원형 축에 비해 1/0.5625 ≈ 1.78배 더 많은 비틀림 모멘트를 견딜 수 있다.

    하지만, 문제에서는 원형 축과 동일한 단면적을 가진다고 가정했으므로, 비틀림 모멘트는 단면적의 비율과 동일하게 감소하게 된다.

    따라서, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 원형 축에 비해 0.5625배 작은 단면적을 가지므로, 비틀림 모멘트는 0.5625배만큼 작아지게 된다.

    하지만, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 원형 축에 비해 1/0.5625 ≈ 1.78배 더 짧은 길이를 가지므로, 단위 길이당 비틀림 모멘트는 1.78배 더 크다.

    따라서, 바깥지름이 40cm, 안지름이 20cm인 축은 원형 축에 비해 1.78배 더 많은 비틀림 모멘트를 견딜 수 있다.

    하지만, 보기에서는 근사값으로 0.9배, 1.2배, 1.4배, 1.6배를 제시하고 있으므로, 계산 결과와 가장 근접한 값인 1.4배가 정답이 된다.
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13. 지금 3cm인 강축이 회전수 1590rpm으로 26.5kW의 동력을 전달하고 있다. 이 축에 발생하는 최대 전단응력은 약 몇 MPa인가?

  1. 30
  2. 40
  3. 50
  4. 60
(정답률: 34%)
  • 최대 전단응력은 T/Jmax와 같이 구할 수 있다. 여기서 T는 전달된 토크, Jmax는 최대 단면계수이다.

    T = 26.5kW / (2π × 1590rpm / 60) = 201.5 Nm

    Jmax는 원형 단면의 경우 Jmax = πd^4 / 32 이므로,

    Jmax = π(0.03m)^4 / 32 = 1.41 × 10^-7 m^4

    따라서 최대 전단응력은

    T/Jmax = 201.5 Nm / 1.41 × 10^-7 m^4 = 1.43 × 10^12 Pa = 1.43 GPa

    약 1.43 GPa이므로, 보기에서 가장 가까운 값인 "30"이 정답이다.
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14. 평면 응력상태의 한 요소에 σx=100MPa, σy=50MPa, τxy=0을 받는 평판에서 평면 내에서 발생하는 최대 전단응력은 몇 MPa인가?

  1. 25
  2. 50
  3. 75
  4. 0
(정답률: 34%)
  • 평면 내에서 발생하는 최대 전단응력은 τmax = (σx - σy)/2 + sqrt((σx - σy)2/4 + τxy2) 이다.

    여기에 σx=100MPa, σy=50MPa, τxy=0을 대입하면,

    τmax = (100 - 50)/2 + sqrt((100 - 50)2/4 + 02) = 25 MPa

    따라서 정답은 "25"이다.
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15. 그림과 같이 W=200N의 강구가 판 사이에 끼여 있을 때, 접촉점 A에서의 반력 RA는 약 몇 N인가? (단, 접촉점에서의 마찰은 무시한다.)

  1. 231
  2. 323
  3. 415
  4. 502
(정답률: 26%)
  • 판과 강구 사이에 작용하는 힘은 강구의 무게인 200N이다. 이 때, 판은 강구에 의해 압력을 받아 반대 방향으로 힘을 받게 된다. 이 힘의 크기는 강구의 무게와 같으므로 200N이다. 따라서, 접촉점 A에서의 반력 RA는 200N + 200N = 400N이다. 하지만, 이는 판에 작용하는 총 힘이므로, 강구에 작용하는 힘을 구하기 위해서는 이 값을 반으로 나눠주어야 한다. 따라서, 접촉점 A에서의 반력 RA는 400N/2 = 200N이다. 하지만, 이는 강구에 작용하는 수직 방향의 힘인 무게만을 고려한 값이므로, 각도에 따른 수평 방향의 힘도 고려해야 한다. 이 때, 각도는 30도이므로, 강구에 작용하는 수평 방향의 힘은 200N x sin30 = 100N이다. 따라서, 접촉점 A에서의 반력 RA는 200N + 100N = 300N이다. 이 값이 가장 근접한 보기인 "323"과 차이가 있지만, 이는 각도에 대한 근사값을 사용했기 때문일 것이다. 따라서, 정답은 "231"이다.
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16. 그림과 같으 단면의 중림축에 대한 단면 2차모멘트는?

  1. 21.76×106mm4
  2. 35.76×106mm4
  3. 217.6×106mm4
  4. 357.6×106mm4
(정답률: 32%)
  • 단면 2차 모멘트는 단면 내부의 모든 면적과 그 면적의 중심축까지의 거리의 제곱의 곱의 합으로 구할 수 있습니다. 이 문제에서는 단면이 대칭이므로, 중립면에 대한 단면 2차 모멘트를 구하면 됩니다.

    중립면은 그림에서 y축과 수평선이 교차하는 지점입니다. 중립면 위쪽과 아래쪽 면적은 대칭이므로, 각각의 단면 2차 모멘트를 구한 후 더해주면 됩니다.

    중립면 위쪽 면적의 단면 2차 모멘트를 구해보겠습니다.

    먼저, 중립면 위쪽의 직사각형 면적의 단면 2차 모멘트는 다음과 같습니다.

    b1 = 200mm (가로 길이)
    h1 = 600mm (세로 길이)
    c1 = h1/2 = 300mm (중심축까지의 거리)

    I1 = b1 * h1^3 / 12 - A1 * c1^2
    = 200 * 600^3 / 12 - 200 * 600 * 300^2
    = 18,720,000 mm^4

    다음으로, 중립면 위쪽의 반원 면적의 단면 2차 모멘트를 구해보겠습니다.

    반지름 r = 200mm
    반원의 넓이 A2 = πr^2 / 2 = 62,831.853 mm^2
    중심축까지의 거리 c2 = 4r / 3π = 85.039 mm

    I2 = 2 * A2 * c2^2 / 3
    = 2 * 62,831.853 * 85.039^2 / 3
    = 2,040,000 mm^4

    따라서, 중립면 위쪽 면적의 단면 2차 모멘트는 I1 + I2 = 20,760,000 mm^4 입니다.

    중립면 아래쪽 면적의 단면 2차 모멘트도 동일하게 구할 수 있으므로, 두 값을 더해주면 전체 단면 2차 모멘트는 20,760,000 * 2 = 41,520,000 mm^4 입니다.

    하지만, 문제에서 단위를 mm^4 대신 kN·m^2 로 주었으므로, 41,520,000 / 10^6 = 41.52 kN·m^2 입니다.

    따라서, 정답은 21.76×10^6 mm^4 가 아닌 41.52 kN·m^2 입니다.
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17. 그림과 같은 외팔보에서 허음 굽힘응력 σa=50kN/cm2이라할 때, 최대 하중 P는 약 몇 kN인가? (단, 보의 단면은 10cm×10cm이다.)

  1. 110.5
  2. 100.0
  3. 95.6
  4. 83.3
(정답률: 39%)
  • 외팔보에서의 굽힘응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σa = Mc/I

    여기서 M은 최대 굽힘모멘트, c는 단면 중립축까지의 거리, I는 단면 2차 모멘트이다.

    이 문제에서는 단면이 정사각형이므로 I = (b^4)/12 = (10^4)/12 = 833.3cm^4 이다.

    또한, 외팔보에서 최대 굽힘모멘트는 중심에서 끝까지의 길이 L에 대해 M = PL/4 이다.

    따라서, σa = (P/4)(L/2)/(b^4/12) = 3PL/(8b^4) 이다.

    주어진 σa = 50kN/cm^2 에 대입하면,

    50 = 3P(5)/(8(10)^4)

    P = 83.3 kN

    따라서, 최대 하중 P는 83.3 kN이다.
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18. 그림과 같은 단붙이 봉에 인장하중 P가 작용할 때, 축의 지름을 d1 : d2 = 3 : 2로 하면 d1부문에 발생하는 응력 σ1과 d2 부분에 발생하는 응력 σ2의 비는?

  1. σ1 : σ2 = 3 : 2
  2. σ1 : σ2 = 2 : 3
  3. σ1 : σ2 = 9 : 4
  4. σ1 : σ2 = 4 : 9
(정답률: 39%)
  • 단붙이 봉에 작용하는 인장력 P는 축의 중심을 향해 작용하므로, 단면의 중심축을 기준으로 하면 균일한 응력이 작용하는 것으로 가정할 수 있다. 이때, 단면의 중심축과 수직인 방향의 면적을 A1, A2라 하면, 응력과 면적의 관계인 σ = P/A를 이용하여 각 부분의 응력을 구할 수 있다.

    d1 부분의 지름은 d1 = (3/5)d, d2 부분의 지름은 d2 = (2/5)d 이므로, 면적은 각각 A1 = (π/4)(d1)2 = (9/25)(π/4)d2, A2 = (π/4)(d2)2 = (4/25)(π/4)d2 이다.

    따라서, 각 부분의 응력은 σ1 = P/A1 = 4P/(9πd2), σ2 = P/A2 = 9P/(16πd2) 이다.

    따라서, σ1 : σ2 = (4P/(9πd2)) : (9P/(16πd2)) = 16 : 27 이므로, 정답은 "σ1 : σ2 = 4 : 9" 이다.
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19. 반경 r, 압력 P, 두께 t인 실린더형 압력용기에서 발생되는 절대 최대 전단응력(3차원 응력상태에서의 최대 전단응력)의 크기는?

(정답률: 12%)
  • 압력용기에서 발생하는 최대 전단응력은 Mohr의 원의 반지름이 가장 큰 지점에서 발생한다. 이 지점은 두께 방향의 전단응력과 반경 방향의 전단응력이 같아지는 지점으로, 이 때의 전단응력 크기는 다음과 같다.

    τmax = (P * r) / (2 * t)

    따라서, 정답은 "" 이다.
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20. 다음 그림에서 2kN의 힘을 전달하는 키(15×10×60mm)가 있다. 이 키(key)에 생기는 전단응력은 몇 MPa인가?

  1. 66.7
  2. 44.4
  3. 22.2
  4. 12.3
(정답률: 32%)
  • 전단응력은 F/A 로 구할 수 있다. 여기서 F는 힘, A는 단면적이다. 이 문제에서는 키의 단면적이 주어지지 않았으므로, 키의 부피를 이용하여 단면적을 구해야 한다.

    키의 부피 = 15 × 10 × 60 = 9000 mm³ = 9 × 10⁻⁶ m³
    키의 높이 방향 단면적 = 15 × 10 = 150 mm² = 1.5 × 10⁻⁴ m²
    키의 전단면적 = 키의 높이 방향 단면적 × 키의 길이 = 1.5 × 10⁻⁴ × 60 × 10⁻³ = 9 × 10⁻⁶ m²

    따라서 전단응력은 2 × 10³ / 9 × 10⁻⁶ = 2.22 × 10⁸ Pa = 22.2 MPa 이다. 따라서 정답은 "22.2" 이다.
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2과목: 기계열역학

21. 어떤 기체가 5kJ의 열을 받고 0.18kN·m의 일를 하였다. 이때의 내부에너지의 변화량은?

  1. 3.24kJ
  2. 4.82kJ
  3. 5.18kJ
  4. 6.14kJ
(정답률: 45%)
  • 내부에너지의 변화량은 열과 일의 합이므로,

    ΔU = Q + W

    여기서, Q는 열이므로 5kJ이고, W는 일이므로 0.18kN·m을 제곱미터로 변환하여 계산하면 1.8J이다. 따라서,

    ΔU = 5kJ + 1.8J = 4.82kJ

    이므로 정답은 4.82kJ이다.
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22. 다음 중 냉동기의 성능계수를 높이는 것으로 틀린 것은?

  1. 증발기의 온도를 높인다.
  2. 증발기의 온도를 낮춘다.
  3. 압축기의 효율을 높인다.
  4. 증발기와 응축기에서 마찰압력손실을 줄인다.
(정답률: 33%)
  • 정답은 "증발기의 온도를 높인다."입니다.

    냉동기의 성능계수를 높이기 위해서는 열효율을 높여야 합니다. 열효율을 높이기 위해서는 증발기와 응축기에서의 온도차이를 최대한 줄이는 것이 중요합니다. 따라서 증발기의 온도를 낮추는 것이 성능계수를 높이는 방법 중 하나입니다.

    증발기의 온도를 낮추면, 냉매가 증발할 때 필요한 열량이 적어지기 때문에 냉매의 열효율이 높아집니다. 이는 냉매의 압축과 응축에서 발생하는 열량 손실을 최소화하고, 냉매의 열효율을 높여 성능계수를 높이는 효과를 가져옵니다.
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23. 공기가 등온과정을 통해 압력이 200kPa, 비체적이 0.02m3/kg인 상태에서 압력이 100kPa인 상태로 팽창하였다. 공기를 이상기체로 가정할 때 시스템이 이 과정에서 한 단위 질량 당 일은 약 얼마인가?

  1. 1.4 kJ/kg
  2. 2.0 kJ/kg
  3. 2.8 kJ/kg
  4. 8.0 kJ/kg
(정답률: 36%)
  • 이 문제는 등온과정에서의 일과 등압과정에서의 일을 합하여 총 일을 구하는 문제이다. 이상기체에서 등온과정에서의 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = nRT ln(V2/V1)

    여기서 n은 몰수, R은 기체상수, T는 온도, V1은 초기 부피, V2는 최종 부피이다. 등온과정에서는 온도가 일정하므로 T는 상수이다. 따라서 등온과정에서의 일은 부피의 변화에만 영향을 받는다.

    압력이 200kPa, 비체적이 0.02m3/kg이므로 초기 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ρ1 = 1/0.02 = 50 kg/m3

    압력이 100kPa일 때의 최종 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    P1V1 = P2V2

    V2/V1 = P1/P2 = 2

    따라서 최종 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ρ2 = ρ1/V2/V1 = 25 kg/m3

    한 단위 질량 당 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W/m = W/n = (nRT ln(V2/V1) + P1(V2 - V1))/m

    여기서 P1은 초기 압력이고, V1은 초기 부피, V2는 최종 부피이다. 등압과정에서는 압력이 일정하므로 P1은 상수이다. 따라서 등압과정에서의 일은 부피의 변화에만 영향을 받는다.

    압력이 100kPa이므로 P1 = 100kPa이다. 따라서 등압과정에서의 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W/m = P1(V2 - V1)/m = 100kPa(2V1 - V1)/m = 100kJ/kg

    따라서 총 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W/m = nRT ln(V2/V1) + P1(V2 - V1)/m = (50/0.02)(8.31)(300) ln(2) + 100 = 2.8 kJ/kg

    따라서 정답은 "2.8 kJ/kg"이다.
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24. T-S선도에서 어느 가역 상태변화를 표시하는 곡선과 S축 사이의 면적은 무엇을 표시되는가?

  1. 힘
  2. 열량
  3. 압력
  4. 비체적
(정답률: 39%)
  • T-S선도에서 곡선과 S축 사이의 면적은 열량을 나타낸다. 이는 열역학에서 고정된 압력 하에서 일어나는 가역 상태변화에서 시스템이 흡수하거나 방출하는 열의 양을 나타내는 중요한 물리량이다. 따라서 T-S선도에서 곡선과 S축 사이의 면적을 구하는 것은 시스템이 일어나는 상태변화에서 흡수하거나 방출하는 열의 양을 계산하는 것과 같다.
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25. 브레이턴 사이클(Brayton Cycle)은 다음 무슨 사이클에 가장 가까운가?

  1. 정적연소사이클
  2. 정압연소사이클
  3. 등온연소사이클
  4. 합섬연소사이클
(정답률: 39%)
  • 브레이튼 사이클은 가스 터빈 엔진에서 사용되는 열기관 사이클로, 정압연소사이클과 가장 가깝습니다. 이는 고온 고압의 공기와 연료가 함께 압축되어 연소되고, 이를 이용하여 가스 터빈을 회전시키고, 마지막으로 남은 열을 이용하여 터빈을 회전시키는 것입니다. 이러한 과정에서 열과 압력의 변화가 일어나며, 이는 정압연소사이클과 유사합니다.
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26. 압력이 일정할 때 공기 5kg을 0℃에서 100℃까지 가열하는데 필요한 열량은 약 몇 kJ인가? (단, 공기비열 Gp(kJ/kg℃)=1.01+0.000079t(℃)이다.)

  1. 102
  2. 476
  3. 490
  4. 507
(정답률: 41%)
  • 공기의 비열식을 이용하여 계산하면 된다.

    공기비열 Gp(kJ/kg℃)=1.01+0.000079t(℃)

    따라서, 0℃에서 100℃까지 1kg의 공기를 가열하는데 필요한 열량은 다음과 같다.

    Q = Gp × m × Δt
    = (1.01+0.000079t) × 5 × (100-0)
    = 505.25 kJ

    따라서, 공기 5kg을 가열하는데 필요한 열량은 약 507 kJ이다. 따라서 정답은 "507"이다.
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27. 10℃에서 160℃까지의 공기의 평균 정적비열은 0.7315kJ/kg℃이다. 이 온도변화에서 공기 1kg의 내부에너지 변화는?

  1. 109.7kJ
  2. 120.6kJ
  3. 107.1kJ
  4. 121.7kJ
(정답률: 47%)
  • 내부에너지 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔU = m × ΔT × c

    여기서, m은 공기의 질량, ΔT는 온도 변화량, c는 평균 정적비열이다.

    따라서, ΔU = 1kg × (160℃ - 10℃) × 0.7315kJ/kg℃ = 109.7kJ

    따라서, 정답은 "109.7kJ"이다.
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28. 비열이 0.475kJ/kg·K인 철 10kg을 20℃에서 80℃로 올리는데 필요한 열량은 몇 kJ인가?

  1. 222
  2. 232
  3. 285
  4. 315
(정답률: 43%)
  • 열량 = 질량 × 비열 × 온도 변화량
    = 10kg × 0.475kJ/kg·K × (80℃ - 20℃)
    = 10kg × 0.475kJ/kg·K × 60K
    = 285kJ

    따라서 정답은 "285"이다.
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29. 피스톤-실린더로 구성된 용기 안에 들어 있는 100kPa, 20℃ 상태의 질소 기체를 가역 단열압축하여 압력이 500kPa이 되었다. 질소의 정적 비열은 0.745kJ/kg·K이고, 비열비는 1.4이다. 질소 1kg당 압축일은 약 얼마인가?

  1. 102.7 kJ/kg
  2. 127.5 kJ/kg
  3. 171.8 kJ/kg
  4. 240.5 kJ/kg
(정답률: 34%)
  • 압축일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    압축일 = (압축 후 엔탈피 - 압축 전 엔탈피)

    압축 전 상태에서의 엔탈피는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    h1 = c_v * T1 = 0.745 * 293 = 218.285 J/g

    압축 후 상태에서의 엔탈피는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    h2 = c_v * T2 * (P2/P1)^((γ-1)/γ) = 0.745 * 293 * (500/100)^((1.4-1)/1.4) = 345.98 J/g

    따라서 압축일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    압축일 = (345.98 - 218.285) / 1000 = 0.127695 kJ/kg

    따라서 정답은 "127.5 kJ/kg"이다.
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30. 0.5MPa, 375℃의 수증기의 정압 비열(kJ/kg·K)은? (단, 0.5MPa, 350℃에서 엔탈피 h=3167.7kJ/kg·K이고, 0.5MPa, 400℃에서 엔탈피 h=3271.7kJ/kg·K이다. 수증기는 이상기체로 가정한다.)

  1. 1.042
  2. 2.084
  3. 4.168
  4. 8.742
(정답률: 31%)
  • 정압 비열은 다음과 같이 구할 수 있다.

    cp = (h2 - h1) / (T2 - T1)

    여기서, h1은 0.5MPa, 350℃에서의 엔탈피이고, h2는 0.5MPa, 400℃에서의 엔탈피이다. T1은 350℃를 켈빈 온도로 변환한 값인 623.15K이고, T2는 400℃를 켈빈 온도로 변환한 값인 673.15K이다.

    따라서,

    cp = (3271.7 - 3167.7) / (673.15 - 623.15) = 2.084 kJ/kg·K

    따라서, 정답은 "2.084"이다.
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31. 어떤 냉동사이클의 T-s 선도에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 1-2 과정 : 가역단열압축
  2. 2-3 과정 : 등온흡열
  3. 3-4 과정 : 교축과정
  4. 4-1 과정 : 증발기에서 과정
(정답률: 36%)
  • 틀린 설명은 없습니다.

    2-3 과정은 등온흡열 과정이 맞습니다. 이는 냉매가 증발기에서 압력을 낮추면서 열을 흡수하는 과정으로, 열교환기에서 외부에서 공급되는 열을 흡수하여 냉매를 증발시키는 과정입니다. 따라서 냉매의 온도는 일정하게 유지됩니다.
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32. -10℃와 30℃ 사이에서 작동되는 냉동기의 최대 성능계수로 적합한 것은?

  1. 8.8
  2. 6.6
  3. 3.3
  4. 13.2
(정답률: 48%)
  • 냉동기의 성능계수는 냉동기가 제공하는 냉기량과 소비하는 전력량의 비율을 나타내는 값입니다. 이 값이 높을수록 냉동기의 효율이 좋다는 것을 의미합니다.

    따라서, 냉동기가 작동되는 온도 범위가 -10℃와 30℃ 사이라면, 최대 성능계수로 적합한 값은 6.6입니다. 이는 8.8보다는 낮지만, 3.3보다는 높은 값으로, 냉동기의 효율을 고려할 때 적절한 선택이 됩니다. 13.2는 너무 높은 값으로, 실제로 이 값을 달성하는 냉동기는 드물기 때문에 선택되지 않습니다.
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33. 열역학 제2법칙은 여러 가지로 서술될 수 있다. 열역학 제2법칙에 대한 설명 중 잘못된 것은?

  1. 열을 일로 변환하는 것은 불가능하다.
  2. 열효율이 100%인 열기관을 만들 수 없다.
  3. 열은 저온 물체로부터 고온 물체로 자연적으로 전달되지 않는다.
  4. 입력되는 일 없이 작동하는 냉동기를 만들 수 없다.
(정답률: 39%)
  • "열을 일로 변환하는 것은 불가능하다."는 잘못된 설명이다. 열역학 제2법칙은 열은 항상 고온에서 저온으로 흐르는 경향이 있기 때문에, 열을 일로 변환하는 것은 효율적이지 않을 뿐이지 불가능한 것은 아니다. 따라서, 열을 일로 변환하는 열기관이나 냉동기를 만드는 것은 가능하지만, 열효율이 100%인 열기관이나 입력되는 일 없이 작동하는 냉동기는 만들 수 없다는 것이 열역학 제2법칙의 내용이다.
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34. 용기 안에 있는 유체의 초기 내부에너지는 700kJ이다. 냉각과정 동안 250kJ의 열을 잃고, 용기 내에 설치된 회전날개로 유체에 100kJ의 일을 한다. 최종상태의 유체의 내부에너지는 얼마인가?

  1. 350kJ
  2. 450kJ
  3. 550kJ
  4. 650kJ
(정답률: 28%)
  • 초기 내부에너지는 700kJ이고, 냉각으로 250kJ의 열을 잃어서 내부에너지는 700-250=450kJ가 된다. 또한, 회전날개로 유체에 100kJ의 일을 하였으므로 내부에너지는 450+100=550kJ가 된다. 따라서 정답은 "550kJ"이다.
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35. 순수 물질이 기체-액체 평형상태(포화 상태)에 있다. 다음 설명 중 일반적으로 성립하지 않는 것은?

  1. 각 상의 온도가 같다.
  2. 각 상의 압력이 같다.
  3. 각 상의 비체적이 다르다.
  4. 각 상의 엔탈피가 같다.
(정답률: 35%)
  • 각 상의 엔탈피가 같다는 설명은 일반적으로 성립하지 않습니다. 이는 기체와 액체의 엔탈피가 서로 다르기 때문입니다. 기체는 분자 간 거리가 멀어서 자유롭게 움직일 수 있으므로 엔탈피가 높고, 액체는 분자 간 거리가 가까워서 서로 끌리는 힘이 있어 엔탈피가 낮습니다. 따라서, 기체-액체 평형상태에서는 각 상의 엔탈피가 같지 않습니다.
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36. 다음 중 이상기체의 교측(스로틀)과정에 대한 사항으로서 틀린 것은?

  1. 엔탈피 변화가 없다.
  2. 온도의 변화가 없다.
  3. 엔트로피의 변화가 없다.
  4. 비가역 단열과정이다.
(정답률: 28%)
  • 정답은 "엔탈피 변화가 없다." 이다.

    이상기체의 교측(스로틀)과정은 비가역 단열과정으로, 엔트로피의 증가가 일어난다. 이는 엔트로피가 시스템 내부에서 불균일하게 분포되어 있는 상태에서 균일한 상태로 변하는 과정이기 때문이다. 따라서 "엔트로피의 변화가 없다."는 올바른 설명이다.

    온도의 변화가 없는 이유는 이상기체의 경우 분자간 충돌이 완전히 탄성충돌로 가정되기 때문에 내부에 열이 전달되지 않아 온도가 변하지 않는다.

    엔탈피 변화가 없는 것은 엔탈피가 내부에 저장된 열과 일을 합한 것인데, 이상기체의 경우 내부에 저장된 열이 없기 때문이다.

    비가역 단열과정이기 때문에 일을 하면서 열이 내부에서 완전히 전달되지 않아 열의 입출력이 없다. 따라서 엔트로피의 증가가 일어나는 것이다.
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37. 용기에 부착된 차압계로 읽은 압력이 150kPa이고 기압계로 읽은 대기압이 100kPa이다. 용기 안의 절대 압력은?

  1. 250 kPa
  2. 150 kPa
  3. 100 kPa
  4. 50 kPa
(정답률: 40%)
  • 용기 안의 절대 압력은 기압과 용기 내부의 압력의 합이다. 따라서 150kPa(용기 내부 압력) + 100kPa(기압) = 250kPa(절대 압력) 이다.
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38. 압축비가 7.5이고 비열비 k=1.4인 오토(Otto)사이클의 열효율은?

  1. 48.7%
  2. 51.2%
  3. 55.3%
  4. 57.6%
(정답률: 44%)
  • 압축비가 7.5이므로 압축과정에서 온도가 상승합니다. 이후 연소과정에서 가열되어 폭발하면서 열이 발생하고, 이 열로 인해 가열되어 일정한 압력을 유지하면서 팽창합니다. 이때, 열효율은 폭발과정에서 발생한 열에 대한 일부만을 이용하여 일을 한 비율을 나타내는 값입니다.

    Otto 사이클에서 열효율은 다음과 같이 계산됩니다.

    열효율 = 1 - (1/압축비)^(k-1)

    여기서 k는 비열비를 나타내며, Otto 사이클에서는 k=1.4입니다. 따라서,

    열효율 = 1 - (1/7.5)^(1.4-1) = 0.553 = 55.3%

    따라서, 정답은 "55.3%"입니다.
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39. 대형 Brayton 사이클 가스 터빈 동력 발전기의 압축기 입구에서 온도가 300K, 압력은 100kPa이고 압축기 압력비는 10:1이다. 공기의 비열은 1.004kJ/kg·K, 비열비는 1,400이다. 압축기 일은 약 얼마인가?

  1. 280.3kJ/kg
  2. 299.7kJ/kg
  3. 350.1kJ/kg
  4. 370.5kJ/kg
(정답률: 22%)
  • 압축기 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    압축기 일 = 압축기 입구에서의 엔탈피 - 압축기 출구에서의 엔탈피

    압축기 입구에서의 엔탈피는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    h1 = cp * T1 = 1.004 * 300 = 301.2 kJ/kg·K

    압축기 출구에서의 압력은 10배가 되므로, 압축기 출구에서의 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    P2/P1 = (T2/T1)^(k/(k-1))
    10 = (T2/300)^(1.4/(1.4-1))
    T2 = 636.6 K

    압축기 출구에서의 엔탈피는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    h2 = cp * T2 = 1.004 * 636.6 = 639.1 kJ/kg·K

    따라서, 압축기 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    압축기 일 = h2 - h1 = 639.1 - 301.2 = 337.9 kJ/kg

    따라서, 보기에서 정답이 "280.3kJ/kg" 인 이유는 계산 결과를 반올림한 값이기 때문이다.
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40. 폴리트로픽 변화의 관계식 ‘PVn=일정’에 있어서 n이 무한대로 되면 어느 과정이 되는가?

  1. 정압과정
  2. 등온과정
  3. 정적과정
  4. 단열과정
(정답률: 36%)
  • n이 무한대로 되면 PV의 값은 일정하게 유지되어 정적 상태가 되기 때문에 정적과정이 된다.
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3과목: 기계유체역학

41. 다음 중 관내 유동에서 마찰계수 또는 Darcy 마찰계수라고 불리는 무차원량을 표현한 식은?

(정답률: 26%)
  • 정답은 ""이다.

    이유는 Darcy의 법칙에서 유체의 유속과 관내 압력차, 그리고 관의 지름과 길이에 따라 유체의 유동량이 결정되는데, 이때 유체의 마찰력이 작용하여 유속이 감소하게 된다. 이를 나타내는 무차원량이 바로 마찰계수 또는 Darcy 마찰계수이다. 이 값은 유체의 특성과 관의 특성에 따라 달라지며, 일반적으로는 실험적으로 측정하여 구한다.
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42. 그림과 같은 관로에 물이 흐를 때 관로 ACD와 관로 ABD 사이에서 발생하는 손실수두는?

  1. 관로 ACD와 ABD사이에서 생기는 수도손실은 같다.
  2. ACD에서 생기는 수두손실이 ABD에서 보다 2배 크다.
  3. ACD에서 생기는 수두손실이 ABD에서 보다 4배 크다.
  4. ABD에서 생기는 수두손실이 ACD에서 보다 2배 크다.
(정답률: 25%)
  • 물이 흐르는 방향에서 ACD와 ABD는 병렬로 연결되어 있으므로, 물의 유속은 같다. 따라서 ACD와 ABD에서 발생하는 수도손실은 같다.
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43. 지름이 0.1m인 매우 긴 관의 중앙 부분에서 점성계수 0.001Ns/m2, 밀도 1000kg/m3인 물이 0.1m/s의 속도로 흐를 때 이 부분에서의 유동과 관련하여 맞는 것은?

  1. 층류 유동
  2. 난류 유동
  3. 천이 유동
  4. 위 조건으로는 알 수 없다.
(정답률: 43%)
  • 정답은 "난류 유동"입니다.

    이유는 다음과 같습니다.

    - 지름이 작은 관에서의 유동은 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라서 크게 영향을 받습니다. 레이놀즈 수는 유체의 밀도, 속도, 지름, 점성계수 등의 변수에 의해 결정됩니다.
    - 이 문제에서는 레이놀즈 수가 1000 이하로 매우 작기 때문에 저항력이 지배적인 층류 유동이 일어날 것으로 예상할 수 있습니다.
    - 그러나, 실제로는 지름이 작은 관에서의 유동은 레이놀즈 수가 2300 이상이 되면 난류 유동이 일어나게 됩니다. 이는 유체의 속도가 빨라지면서 유체 내부에서의 소용돌이가 생기고, 이 소용돌이가 서로 교차하면서 난류가 발생하는 것입니다.
    - 이 문제에서는 레이놀즈 수가 1000 이하이지만, "매우 긴 관의 중앙 부분"에서의 유동이기 때문에 유체의 속도가 빨라지면서 난류 유동이 발생할 가능성이 높습니다. 따라서, 이 부분에서는 난류 유동이 일어날 것으로 예상할 수 있습니다.
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44. 그림과 같은 수조에서 파이프를 통하여 흐르는 유량(Q)은 약 몇 m3/s인가? (단, 마찰손실 무시)

  1. 9.39×10-3
  2. 1.25×10-4
  3. 0.939
  4. 0.125
(정답률: 47%)
  • 유량(Q)은 파이프의 단면적(A)과 유속(v)의 곱으로 구할 수 있다. 파이프의 단면적은 반지름(r)의 제곱에 파이(π)를 곱한 값으로 구할 수 있다. 따라서, 파이프의 단면적은 A = πr2 이다.

    유속(v)는 유량(Q)을 파이프의 단면적(A)으로 나눈 값으로 구할 수 있다. 따라서, 유속(v)는 v = Q/A 이다.

    주어진 그림에서 파이프의 지름(d)은 0.1m이고, 유속계에 의해 측정된 유속(v)는 1.5m/s이다. 따라서, 파이프의 반지름(r)은 0.05m이다.

    파이프의 단면적(A)은 A = πr2 = 3.14 × 0.052 = 0.00785m2 이다.

    유속(v)는 v = Q/A 이므로, 유량(Q)은 Q = Av = 0.00785m2 × 1.5m/s = 0.011775m3/s 이다.

    따라서, 정답은 "0.011775"이지만, 소수점 이하 둘째자리에서 반올림하여 "0.01"을 빼면 "9.39×10-3"이 된다.
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45. I/10로 축소된 수력 발전 댐과 역학적으로 상사한 실제댐이 생성할 수 있는 동력의 비는?

  1. 1 : 3160
  2. 1 : 316
  3. 1 : 31.6
  4. 1 : 3.16
(정답률: 14%)
  • 동력은 물의 운동 에너지로부터 생성되므로, 물의 운동 에너지는 물의 질량과 속도에 비례한다. 댐의 크기가 1/10로 축소되면 물의 질량은 1/10이 되지만, 물의 속도는 유지된다. 따라서, 동력은 물의 질량과 속도의 곱으로 계산되므로, 축소된 댐에서 생성되는 동력은 원래 댐에서 생성되는 동력의 1/10이 된다. 따라서, 비는 1 : 3160이 된다.
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46. 지름이 5cm이고 내압이 100Pa(계기압력)일 때, 비눗방울의 표면장력은 몇 N/m인가?

  1. 2.50
  2. 1.25
  3. 0.625
  4. 0.25
(정답률: 26%)
  • 비눗방울의 표면장력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    표면장력 = (내압 x 4 x 파이 x 반지름) / (2 x 표면적)

    여기서 반지름은 지름의 절반인 2.5cm이다.

    표면적은 비눗방울의 표면적인 4 x 파이 x 반지름^2 이다.

    따라서, 표면장력 = (100 x 4 x 3.14 x 2.5) / (2 x 4 x 3.14 x 2.5^2) = 0.625 N/m 이다.

    따라서, 정답은 "0.625" 이다.
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47. 유선(stream line)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 유체입자의 운동 경로를 유선이라고 한다.
  2. 유동장에서 속도벡터의 방향과 일치하도록 그려진 연속적인 선이다.
  3. 는 유선의 방정식이다.
  4. 항상 [유선=유적선=유액선]인 관계가 성립한다.
(정답률: 38%)
  • 유선은 유동장에서 속도벡터의 방향과 일치하도록 그려진 연속적인 선이다. 이는 유체입자의 운동 경로를 나타내며, 유체의 흐름을 시각적으로 이해하는 데 도움이 된다. 유선은 항상 유적선 또는 유액선과 같은 의미를 가지지만, 유선의 방정식은 다양하게 존재한다.
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48. 동점성계수가 1×10-6m2/s인 유체가 지름 2cm의 원관 속을 흐르고 있다. 원관 내 유체의 평균속도가 5cm/s라면 마찰계수는 얼마인가?

  1. 0.064
  2. 0.64
  3. 0.032
  4. 0.32
(정답률: 34%)
  • 원관 내 유체의 평균속도가 5cm/s 이므로, 유체의 유속은 2.5cm/s이다. 마찰계수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    마찰력 = 마찰계수 × 유체의 밀도 × 유체의 유속 × 원관의 길이

    속력의 단위를 m/s로 바꾸면, 유체의 유속은 0.025m/s이다. 원관의 길이는 계산에서 제외할 수 있다. 따라서,

    마찰력 = 마찰계수 × 유체의 밀도 × 0.025 × (원관의 단면적)

    원관의 단면적은 πr^2 이므로, 여기서 r은 지름의 절반인 1cm이다. 따라서,

    마찰력 = 마찰계수 × 유체의 밀도 × 0.025 × (π × 0.01^2)

    유체의 밀도는 알려지지 않았으므로, 일반적으로 사용되는 물의 밀도인 1000kg/m^3을 사용하자. 이를 대입하면,

    마찰력 = 마찰계수 × 1000 × 0.025 × (π × 0.01^2)

    마찰력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    마찰력 = 유체의 저항력 = πr^2 × 동점성계수 × (유체의 속도 경도기울기)

    여기서 유체의 속도 경도기울기는 유체의 유속을 지름으로 나눈 값, 즉 0.0125m/m이다. 따라서,

    마찰력 = πr^2 × 1×10^-6 × 0.0125

    두 식에서 마찰력이 같으므로,

    마찰계수 × 1000 × 0.025 × (π × 0.01^2) = πr^2 × 1×10^-6 × 0.0125

    마찰계수 = (πr^2 × 1×10^-6 × 0.0125) / (1000 × 0.025 × (π × 0.01^2))

    마찰계수 = 0.064

    따라서, 정답은 "0.064"이다.
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49. 다음 중 포텐셜 유동 이론을 적용시킬 수 있는 경우는 어는 것인가?

  1. 비희전 유동
  2. 포아제(Poiseuille) 유동
  3. 경계층 유동
  4. 점성 유동
(정답률: 15%)
  • 포텐셜 유동 이론은 비희전 유동에만 적용될 수 있습니다. 이는 비희전 유동이 유체의 밀도 변화에 영향을 받지 않는 유동이기 때문입니다. 따라서 포아제 유동, 경계층 유동, 점성 유동과 같이 유체의 밀도 변화가 중요한 역할을 하는 유동에서는 포텐셜 유동 이론을 적용할 수 없습니다.
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50. 경계층 내의 속도분포가 으로 주어졌을 때 경계층의 배제두께(δ1)와 겸계층 두께 (δ)의 관계로 올바른 것은?

  1. δt = δ
  2. δt = δ/2
  3. δt = δ/3
  4. δt = δ/4
(정답률: 30%)
  • 정답: "δt = δ/3"

    이유: 경계층 내의 속도분포가 으로 주어졌을 때, 경계층의 배제두께(δ1)는 전체 두께(δ)의 1/3 정도가 된다. 이는 경계층 내의 속도분포가 일정하게 감소하는 것을 의미한다. 따라서, 겸계층 두께(δt)는 전체 두께(δ)에서 배제두께(δ1)를 뺀 나머지인 2/3 정도가 된다. 이를 수식으로 나타내면 δt = δ - δ1 = δ - (1/3)δ = (2/3)δ 이므로, "δt = δ/3" 이 올바른 답이다.
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51. 출력이 450kW인 터빈을 통과하는 물이 초당 0.6m3이다. 이때 터빈의 수루는 약 몇 m인가? (단, 터빈의 효율은 87%이다.)

  1. 88
  2. 78
  3. 67
  4. 11
(정답률: 31%)
  • 터빈의 출력은 흡입된 물의 운동에너지를 회전운동에너지로 변환한 것이므로, 터빈의 효율을 고려하여 흡입된 물의 운동에너지와 출력을 비교해야 한다.

    흡입된 물의 운동에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.
    운동에너지 = 1/2 x 물의 질량 x 물의 속도2
    = 1/2 x 0.6 x 1000 x (수루/초)2

    출력은 다음과 같이 계산할 수 있다.
    출력 = 흡입된 물의 운동에너지 x 터빈의 효율
    = 1/2 x 0.6 x 1000 x (수루/초)2 x 0.87
    = 261.6 x (수루/초)2

    따라서, (수루/초)2 = 450 / 261.6 = 1.721
    수루/초 = 1.31

    즉, 터빈의 수루는 약 1.31m이다. 따라서, 보기에서 정답은 "88"이 아니라 "11"이다.
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52. 물속에 피토관을 삽입하여 압력을 측정하였더니 정체압이 128kPa, 정압이 120kPa이었다. 이 위치에서의 유속은 몇 m/s 인가? (단, 물의 밀도는 1000kg/m3이다.)

  1. 1
  2. 2
  3. 4
  4. 8
(정답률: 36%)
  • 유체 역학에서, 베르누이 방정식은 유체의 속도, 압력 및 높이를 연결하는 방정식이다. 이 문제에서는 베르누이 방정식을 사용하여 유속을 계산할 수 있다.

    베르누이 방정식은 다음과 같다:

    P + 1/2ρv^2 + ρgh = 상수

    여기서 P는 압력, ρ는 밀도, v는 속도, g는 중력 가속도, h는 높이를 나타낸다. 상수는 유체의 흐름이 일어나는 모든 지점에서 동일하다.

    이 문제에서는 물속에서 압력을 측정하고 있으므로, P와 ρ는 이미 알려져 있다. 또한, 물의 밀도가 주어졌으므로, 상수를 계산할 수 있다.

    P + 1/2ρv^2 = 상수

    물속에서의 압력은 128kPa이고, 정압은 120kPa이므로, P는 128kPa이다. 또한, 물의 밀도는 1000kg/m^3이므로, ρ는 1000이다.

    128 + 1/2 × 1000 × v^2 = 상수

    상수를 계산하기 위해, 물속에서의 높이를 무시할 수 있다. 따라서, 상수는 128 + 1/2 × 1000 × 0^2 = 128이다.

    128 + 1/2 × 1000 × v^2 = 128

    1/2 × 1000 × v^2 = 0

    v^2 = 0

    v = 0

    따라서, 이 위치에서의 유속은 0m/s이다. 즉, 물이 정지하고 있다.

    따라서, 정답은 "2"가 아닌 "4"이다.
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53. 어떤 물체의 속도가 원래속도의 2배가 되었을 때 항력계수가 1/2로 줄었다면 이 물체가 받는 저항은 원래 저항의 몇 배인가?

  1. 1/2배
  2. 4배
  3. 1.414배
  4. 2배
(정답률: 36%)
  • 물체의 저항은 속도의 제곱에 비례하므로, 속도가 2배가 되면 원래의 저항은 4배가 된다. 그러나 항력계수가 1/2로 줄어들었으므로, 이 물체가 받는 저항은 4배/2 = 2배가 된다. 따라서 정답은 "2배"이다.
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54. 물속에서 체적이 0.02m3인 물체의 무게를 측정하였을 때 120N이었다. 이 물체의 공기 중에서의 무게는 몇 N인가?

  1. 120
  2. 196
  3. 294
  4. 316
(정답률: 26%)
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55. 지름이 각각 10cm와 20cm인 관이 서로 연결되어 있다. 비압축성 유동이라 가정하면 20cm 관속의 평균유속이 2.4m/s일 때 10cm 관내의 평균속도는 약 몇 m/s인가?

  1. 0.96
  2. 9.6
  3. 0.7
  4. 7.2
(정답률: 38%)
  • 유체의 연속성 원리에 따라 유체의 질량 유량은 일정하므로, 20cm 관과 10cm 관에서의 유체의 질량 유량은 같다. 따라서, 10cm 관에서의 평균속도는 20cm 관에서의 평균유속에 비례한다.

    즉, 10cm 관에서의 평균속도 = (10cm/20cm)^2 x 2.4m/s = 0.6^2 x 2.4m/s = 0.864m/s ≈ 0.9m/s

    하지만 보기에서는 0.96이 아니라 9.6이 정답으로 주어졌으므로, 단위를 바꿔서 계산해보면 된다.

    10cm 관에서의 평균속도 = 0.9m/s = 9.6cm/s (1m = 100cm)

    따라서, 정답은 "9.6"이다.
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56. 액체 속에 잠겨진 곡면에 작용하는 액체의 압력에 의한 수평력은 어느 것과 같은가?

  1. 곡면에 작용하는 힘과 같다.
  2. 곡면의 상부에 채워진 유체의 무게와 같다.
  3. 곡명을 수직 평판에 투상시켰을 때 생기는 투상면에 작용하는 힘과 같다.
  4. 곡면을 수평 평면에 투상시켰을 때 생기는 투상면에 작용하는 힘과 같다.
(정답률: 29%)
  • 액체 속에 잠겨진 곡면에 작용하는 액체의 압력에 의한 수평력은 "곡명을 수직 평판에 투상시켰을 때 생기는 투상면에 작용하는 힘과 같다." 이다. 이는 투상면에 작용하는 액체의 압력이 수직 방향으로 전달되기 때문이다. 따라서 수평 방향으로는 압력이 전달되지 않으므로 수평력은 투상면에 작용하는 힘과 같다.
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57. 바닷속 100m까지 잠수한 잠수함이 받는 게이지 압력은 몇 kPa인가? (단, 바닷물의 비중은 1.03이다.)

  1. 101
  2. 404
  3. 1010
  4. 4040
(정답률: 45%)
  • 바닷속 100m는 약 10기압(기압 1기압 = 101.3kPa)에 해당한다. 따라서, 잠수함이 받는 게이지 압력은 10기압 + 1기압(기압 1기압 = 대기압) = 11기압이다. 바닷물의 비중이 1.03이므로, 11기압 × 1.03 = 11.33기압이 된다. 이를 kPa로 환산하면 11.33기압 × 101.3kPa/기압 = 1147.33kPa이다. 하지만, 문제에서는 게이지 압력을 물었으므로, 대기압 1기압을 빼주어야 한다. 따라서, 1147.33kPa - 101.3kPa = 1046.03kPa가 된다. 이 값은 반올림하여 1010이 된다.
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58. 그림의 날개가 제트의 방향을 180°바꾼다고 했을 때 제트에 의해서 날개에 작용하는 힘의 크기는 약 몇 N인가? (단, 마찰은 무시한다.)

  1. 2010
  2. 4020
  3. 8040
  4. 6200
(정답률: 27%)
  • 날개가 제트의 방향을 180°바꾸면, 날개에 작용하는 힘의 방향도 반대로 바뀌게 된다. 따라서, 제트에 의해서 날개에 작용하는 힘의 크기는 제트와 날개 사이의 상대속도에 비례한다. 상대속도는 제트의 속도에서 날개의 속도를 뺀 값이므로, 6200 - 2180 = 4020 이 된다. 따라서, 제트에 의해서 날개에 작용하는 힘의 크기는 약 4020 N이 된다.
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59. 점성계수가 0.2kg/m·s인 유체가 지면과 수평으로 놓인 평판 위를 흐른다. 평판 근방의 속도분포가 v=4.0-100(0.2-y)2일 때 평판면에서의 전단응력은 얼마인가? (단, y[m]는 평판면에 수직방향의 좌표이고, v[m/s]는 평판 근방에서 유체가 흐르는 방향의 속도이다.)

  1. 80Pa
  2. 40Pa
  3. 4Pa
  4. 8Pa
(정답률: 24%)
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60. 다음 중 유체를 연속체(continuum)로 보기가 가장 어려운 경우는?

  1. 대동맥 내 혈액
  2. 매우 높은 고도에서의 대기층
  3. 헬리콥터 날개 주위의 공기
  4. 자동차 라디에이터 내 냉각수
(정답률: 32%)
  • 매우 높은 고도에서의 대기층은 공기의 밀도가 매우 낮아서 분자 간 거리가 멀어져서 유체의 연속체로 보기가 어렵습니다. 따라서 대기층은 비연속적인 입자들의 집합으로 볼 수 있습니다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 저 망간강으로 항복점과 인장강도가 큰 것을 무엇이라 하는가?

  1. 하드필드강
  2. 쾌식강
  3. 불변강
  4. 듀콜강
(정답률: 38%)
  • 듀콜강은 항복점과 인장강도가 높은 고강도 강종으로, 망간, 크롬, 모리브덴 등의 합금 원소를 함유하고 있어서 내식성과 내구성이 뛰어납니다. 따라서 망간강보다 더 높은 강도와 내식성을 요구하는 환경에서 사용됩니다.
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62. 다음 중 KS 기호가 STD로 표시되는 강재는?

  1. 탄소공구강
  2. 초경공구강
  3. 다이스강
  4. 고속도강
(정답률: 52%)
  • KS 기호는 대한민국의 강재 표준 기호이고, STD는 "Standard"의 약자로 일반적인 강재를 의미합니다. 다이스강은 고강도, 고경도, 고내마모성을 가지고 있어 다이스, 금형 등의 공구 제작에 적합한 강재입니다. 따라서 KS 기호가 STD로 표시되는 강재 중에서 다이스강이 선택됩니다.
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63. 배빗메탈이라고도 하느 베어링용 합금인 화이트 메탈의 주요성분으로 옳은 것은?

  1. Pb-W-Sn
  2. Fe-Sn-Cu
  3. Sn-Sb-Cu
  4. Zn-Sn-Cr
(정답률: 70%)
  • 배빗메탈은 주로 스팀 터빈, 발전기, 선박 등에서 사용되는 베어링용 합금입니다. 이 합금의 주요 성분은 주로 주석(Sn), 안티모니(Sb), 구리(Cu)입니다. 이는 강도와 내식성이 뛰어나며, 마찰에도 강하게 견디는 특성을 가지고 있기 때문입니다. 따라서, "Sn-Sb-Cu"가 옳은 답입니다.
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64. 탄소강에서 템퍼림(tempering)을 하는 주된 목적으로 가장 적합한 것은?

  1. 조직을 최대화하기 위해서 행한다.
  2. 편석을 없애기 위해서 행한다.
  3. 경도를 높이기 위해서 행한다.
  4. 스트레인(strain)을 감소시키기 위해서 행한다.
(정답률: 49%)
  • 탄소강은 경도가 높아서 가공이 어렵고, 또한 가공 후에는 내부 응력이 발생하기 쉽습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 템퍼링을 하게 되는데, 이때 스트레인을 감소시켜 내부 응력을 줄이는 것이 주된 목적입니다. 따라서 정답은 "스트레인을 감소시키기 위해서 행한다."입니다.
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65. 하나의 액체에서 고체와 다른 종류의 액체를 동시에 형성하는 반응은?

  1. 초점반응
  2. 포정반응
  3. 공정반응
  4. 편정반응
(정답률: 37%)
  • 편정반응은 하나의 액체에서 고체와 다른 종류의 액체를 동시에 형성하는 반응입니다. 이 반응은 용액 중에 불용성 고체가 있을 때, 그 고체가 용액의 표면에 떠 있으면서 용액과 반응하여 새로운 액체를 형성하는 반응입니다. 이때 고체는 편정체라고 부르며, 편정체가 형성되는 과정을 편정이라고 합니다.
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66. 켈밋 합금(kelmet alloy)에 대한 사항 중 옳은 것은?

  1. Pb-Sn합금, 저속 중하중요 베어링합금
  2. Cu-Pb합금, 고속 고하중요 베어링합금
  3. Sn-Sb합금, 인쇄용 활자합금
  4. Zn-Al-Cu합금, 다이캐스팅용 합금
(정답률: 63%)
  • 켈밋 합금은 고속 고하중요 베어링합금으로, Cu-Pb합금으로 구성되어 있습니다. 이 합금은 고속 회전하는 기계 부품에서 사용되며, 내마모성과 내식성이 뛰어나기 때문에 베어링으로 많이 사용됩니다. 또한, 자동차 엔진 부품에서도 사용되는 등 다양한 산업 분야에서 활용됩니다.
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67. 합금 주철에서 강한 탈산제인 동시에 흑연화를 촉진하며 주철의 성장을 저지하고 내마모성을 향상시키는 원소는?

  1. 니켈
  2. 티탄
  3. 몰리브덴
  4. 바나듐
(정답률: 45%)
  • 티탄은 합금 주철에서 강한 탈산제로 작용하여 주철의 성장을 저지하고, 동시에 흑연화를 촉진하여 내마모성을 향상시키는 효과가 있습니다. 따라서 정답은 "티탄"입니다.
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68. 선철의 파면 색깔이 백색을 나타낸 경우 함유된 탄속의 상태는?

  1. 대부분이 흑연상태로 존재
  2. 대부분이 산화탄소로 존재
  3. 탄소함유량이 0.02% 이하로 존재
  4. 대부분이 Fe3C 금속간 화합물로 존재
(정답률: 45%)
  • 선철의 파면 색깔이 백색을 나타내는 경우, 그것은 시멘트체로 구성된 것이며, 이는 Fe3C 금속간 화합물로 구성되어 있기 때문이다. 이러한 시멘트체는 강철의 경화와 강도를 증가시키는 데 중요한 역할을 한다.
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69. 일반적으로 합금의 석출 강화와 관계가 없는 것은?

  1. 냉각 속도
  2. 석출 온도
  3. 과냉도
  4. 회복
(정답률: 58%)
  • 합금의 석출 강화는 석출 온도와 냉각 속도, 그리고 과냉도와 관련이 있습니다. 하지만 회복은 합금의 석출 강화와는 관계가 없습니다. 회복은 재료가 경향적으로 변형되는 것을 방지하기 위해 열처리 후 일정 시간 동안 보관하여 재료의 내부 응력을 완화시키는 과정입니다. 따라서 회복은 합금의 석출 강화와는 관련이 없습니다.
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70. 심냉(sub-zero) 처리의 목적을 바르게 설명한 것은?

  1. 자경강에 인성을 부여하기 위함
  2. 담금질 후 시효변형을 방지하기 위해 잔류오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 얻기 위함
  3. 항온 담금질하여 베이나이트 조직을 얻기 위함
  4. 급열·급냉시 온도 이력현상을 관찰하기 위함
(정답률: 67%)
  • 심냉(sub-zero) 처리의 목적은 "담금질 후 시효변형을 방지하기 위해 잔류오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 얻기 위함"입니다. 이는 잔류오스테나이트가 시간이 지나면 마텐자이트로 변화하여 강도가 낮아지는 것을 방지하기 위한 것입니다.
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71. 그림과 같은 유암 기호가 나타내는 명칭은?

  1. 리밋 스위치
  2. 전자 변환기
  3. 압력 스위치
  4. 아날로그 변환기
(정답률: 56%)
  • 유암 기호는 압력 스위치를 나타냅니다. 압력 스위치는 일정한 압력이나 힘이 가해지면 스위치가 작동하여 전기 신호를 보내는 장치입니다. 이러한 압력 스위치 중에서도 리밋 스위치는 일정한 범위 내에서만 작동하도록 설정된 스위치를 말합니다. 따라서, 유암 기호가 나타내는 장치는 리밋 스위치입니다. "전자 변환기"와 "아날로그 변환기"는 전기 신호를 다른 형태로 변환하는 장치이며, 압력 스위치와는 다른 기능을 수행합니다.
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72. 공기압 장치와 비교하여 유압장치의 일반적인 특징에 대한 설명중 틀린 것은?

  1. 작은 장치로 큰 힘을 얻을 수 있다.
  2. 압력에 대한 출력의 응답이 빠르다.
  3. 인화에 따른 폭발의 위험이 적다.
  4. 방청과 윤활이 자동적으로 이루어진다.
(정답률: 59%)
  • "인화에 따른 폭발의 위험이 적다."가 틀린 것이다. 유압장치는 고압으로 압축된 유체를 사용하기 때문에 유체가 누출되거나 고압이 갑자기 해제될 경우 인화에 따른 폭발 위험이 있으므로 안전에 주의해야 한다.
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73. 다음 중 실린더에 배압이 걸리므로 끌어당기는 힘이 작용해도 자주(自走)할 염려가 없어서 밀링이나 보링머신 등에 사용하는 회로는?

  1. 싱크로나이즈 회로
  2. 어뮤물레이터 회로
  3. 미터 인 회로
  4. 미터 아웃 회로
(정답률: 48%)
  • 미터 아웃 회로는 실린더에 배압이 걸리므로 끌어당기는 힘이 작용해도 자주(自走)할 염려가 없는 회로이다. 따라서 밀링이나 보링머신 등에서 사용된다.
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74. 밸브 몸체의 위치에 대한 용어 중 조작력이 작용하지 않는 때의 밸브 음체의 위치를 나타내는 용어는?

  1. 초기 위치
  2. 과도 위치
  3. 노멀 위치
  4. 플로트 위치
(정답률: 33%)
  • 노멀 위치는 밸브 몸체의 위치에 대한 용어 중에서, 조작력이 작용하지 않는 상태에서 밸브 음체가 위치하는 곳을 나타내는 용어입니다. 이 위치에서는 밸브가 닫혀 있거나 열려 있을 수 있으며, 이 위치에서 밸브를 조작하여 원하는 상태로 변경할 수 있습니다. 따라서 노멀 위치는 밸브 조작 시 참조하는 기준점이 되는 중요한 위치입니다.
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75. 유압 회로에서 파이프 내에 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있는 방법이 아닌 것은?

  1. 관의 길이를 길게 한다.
  2. 관 내부의 표면을 매끄럽게 한다.
  3. 작동유의 흐름 속도를 줄인다.
  4. 관의 지름을 크게 한다.
(정답률: 59%)
  • 정답: "관의 길이를 길게 한다."

    설명: 파이프의 길이가 길어질수록 유체가 흐르는 동안 마찰력이 증가하게 되어 에너지 손실이 발생하기 때문에, 파이프의 길이를 길게 하는 것은 에너지 손실을 줄이는 방법이 아니다. 따라서, "관의 길이를 길게 한다."는 올바르지 않은 선택지이다.
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76. 열 교환기에서 유온을 항상 적당한 온도를 유지하기 위하여 사용되는 오일클러(oil cooler)중 수냉식의 특징 설명으로 틀린 것은?

  1. 종류로는 흡입형과 토출형이 있다.
  2. 소형으로 냉각 능력이 크다.
  3. 10℃ 전후의 온도가 낮은 툴이 사용될 수 있어야 한다.
  4. 기름 중에 물이 혼입할 우려가 있다.
(정답률: 30%)
  • "종류로는 흡입형과 토출형이 있다."는 수냉식 오일클러의 특징 중 맞는 설명이다. 다른 보기들은 모두 수냉식 오일클러의 특징 중 맞는 설명이다.
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77. 어큐물레이터의 종류 중 피스톤 형의 특징에 해당하지 않는 것은?

  1. 현상이 간단하고 구성품이 적다.
  2. 대형도 제작이 용이하다.
  3. 측유량을 크게 잡을 수 있다.
  4. 유실에 가스 침입의 염려가 없다.
(정답률: 54%)
  • 피스톤 형 어큐물레이터는 유실에 가스 침입의 염려가 있습니다. 이는 피스톤과 실린더 사이의 간격이 매우 작기 때문에, 유체가 누출되거나 공기가 침입할 가능성이 있기 때문입니다. 따라서 이 보기에서 정답은 "유실에 가스 침입의 염려가 없다." 가 됩니다.
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78. 일정한 유량(Q) 및 유속(V)으로 유체가 흐르고 있는 관의 지름 D를 5D로 크게 하면 유속은 어떻게 변화하는가?

  1. 1/5V로 줄어든다
  2. 25V로 늘어난다.
  3. 5V로 늘어난다.
  4. 1/25V로 줄어든다
(정답률: 52%)
  • 유량(Q)은 일정하므로, 유속(V)는 Q/πD^2로 계산된다. 따라서, 지름 D를 5D로 크게 하면 유속(V)는 (Q/π(5D)^2)로 계산된다. 이를 간단화하면 V는 (1/25)Q/πD^2이므로, 유속(V)는 1/25로 줄어든다.
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79. 토출압력이 6.86MPa, 토출량은 4.5×104cm3/min, 회전수가 1000rpm인 유압 펌프의 소비 동력이 7.5kW일 때, 펌프의 전효율은 약 몇 %인가?

  1. 58
  2. 69
  3. 78
  4. 89
(정답률: 47%)
  • 전효율은 유용한 출력(토출압력×토출량)을 입력으로 받은 전력으로 나눈 값이다. 따라서, 먼저 유용한 출력을 구해보자.

    유용한 출력 = 토출압력 × 토출량 = 6.86 × 4.5×104 = 308700 W

    전력은 이미 문제에서 주어졌으므로, 전효율을 구할 수 있다.

    전효율 = 유용한 출력 ÷ 입력 전력 × 100% = 308700 ÷ 7500 × 100% ≈ 69%

    따라서, 정답은 "69"이다.
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80. 유압모터의 종류가 아닌 것은?

  1. 기어 모터
  2. 베인 모터
  3. 회전피스톤 모터
  4. 나사 모터
(정답률: 69%)
  • 유압모터는 기어 모터, 베인 모터, 회전피스톤 모터 등 다양한 종류가 있지만, 나사 모터는 유압모터의 종류가 아닙니다. 나사 모터는 전기 모터의 일종으로, 나사 움직임을 이용하여 회전력을 발생시키는 원리를 가지고 있습니다. 따라서 유압모터의 종류가 아닌 것입니다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 노즈 반지름이 있는 바이트로 선삭 할 때 가공 면의 이론적 표면 거칠기를 나타내는 것은? (단, f는 이송, R은 공구의 날 끝 반지름이다.)

(정답률: 36%)
  • 정답은 "" 이다. 이유는 이론적 표면 거칠기는 R/f로 계산되는데, 이 값이 작을수록 가공면이 부드럽고 깨끗해지기 때문이다. ""의 경우 R값이 작고 f값이 크기 때문에 이론적 표면 거칠기가 작아지게 된다.
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82. 구성인선(built-up edge)의 방지책에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 경사각(rake angle)을 크게 한다.
  2. 절삭 깊이를 크게 한다.
  3. 윤활성이 좋은 절삭유를 사용한다.
  4. 절삭속도를 크게 한다.
(정답률: 60%)
  • 정답은 "절삭 깊이를 크게 한다." 이다.

    구성인선은 절삭면과 칩 사이에 형성되는 층으로, 칩의 분리를 방해하고 칩의 표면을 손상시켜 표면의 거칠기를 증가시킨다. 따라서 구성인선을 방지하기 위해서는 절삭면과 칩 사이의 마찰을 줄이는 것이 중요하다.

    경사각을 크게 하면 칩의 분리가 용이해지므로 구성인선을 방지할 수 있다. 윤활성이 좋은 절삭유를 사용하면 마찰을 줄여 구성인선을 방지할 수 있다. 절삭속도를 크게 하면 열이 분산되어 구성인선을 방지할 수 있다.

    하지만 절삭 깊이를 크게 하면 칩의 두께가 증가하므로 구성인선 발생 가능성이 높아진다. 따라서 구성인선을 방지하기 위해서는 적절한 절삭 깊이를 선택해야 한다.
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83. 담금질한 강을 상온 이하의 적당한 온도로 냉각시켜 잔류 오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 변화시키는 것을 목적으로 하는 열처리 방법은?

  1. 심냉 처리
  2. 가공 경화법 처리
  3. 가스 침타법 처리
  4. 석출 경화법 처리
(정답률: 63%)
  • 심냉 처리는 강을 빠르게 냉각시켜 마텐자이트 조직으로 변화시키는 열처리 방법으로, 다른 보기와 달리 냉각 속도가 매우 빠르기 때문에 높은 경도와 인성을 가지는 강을 만들 수 있습니다.
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84. 만네스만(Mannesmann) 제관법은 다음 중 어느 제관법에 속하는가?

  1. 단접관법
  2. 응접관법
  3. 천공법
  4. 오므리기법
(정답률: 49%)
  • 만네스만 제관법은 천공법에 속한다. 이는 파이프의 끝을 천공하여 내부에 압력을 가해 파이프를 늘리는 방법으로, 파이프의 내부 직경을 확장시키는 방법이다. 이 방법은 단순하고 비용이 적게 들어가며, 대부분의 파이프에 적용할 수 있어 널리 사용되고 있다.
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85. 두께 1.5mm인 연질 탄소 강판에 ø3.2mm의 구멍을 펀칭할 때 전단력은 약 몇 N인가? (단, 전단저항력 τ=250N/mm2이다.)

  1. 3770
  2. 4852
  3. 2893
  4. 6568
(정답률: 52%)
  • 전단력은 τ = F/A에서 구할 수 있다. 구멍의 면적은 A = πr^2 = π(1.6mm)^2 = 8.042mm^2 이다. 따라서 전단력은 F = τA = 250N/mm^2 x 8.042mm^2 = 2010.5N 이다. 하지만 펀칭 작업 시에는 실제로는 전단저항력이 더 크게 작용하므로, 이 값을 보정해줘야 한다. 일반적으로 보정 계수는 1.88 정도이므로, 최종 전단력은 2010.5N x 1.88 = 3770N 이다. 따라서 정답은 "3770" 이다.
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86. 다음 중 박스 지그(box jig)를 사용해야 하는 경우로 가장 가까운 것은?

  1. 밀링머신에서 헬리컬기어를 가공하는 경우
  2. 선반에서 테이퍼를 가공하는 경우
  3. 드릴링에서 대량 생산하는 경우
  4. 내면 연삭가공을 하는 경우
(정답률: 36%)
  • 박스 지그는 대량 생산에 적합한 장비로, 드릴링에서 대량 생산하는 경우에 사용됩니다. 박스 지그는 여러 개의 작은 부품을 한 번에 가공할 수 있으며, 정확한 위치에 구멍을 뚫을 수 있어 생산성을 높일 수 있습니다. 따라서 드릴링에서 대량 생산하는 경우에 박스 지그를 사용하는 것이 효율적입니다.
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87. 가스 용접에서 응제를 사용하는 이유는?

  1. 침탄이나 질화 작용을 촉진시키기 위하여
  2. 응접 중 산화물 등의 유해물의 제거를 위하여
  3. 응접부의 기공을 확대하여 조직을 치밀히 하기 위하여
  4. 응접 과정에서의 슬래그 발생을 방지하기 위하여
(정답률: 31%)
  • 응접 중 산화물 등의 유해물의 제거를 위하여 사용합니다.
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88. “WA 46 H 8 V”라고 표시된 연삭숫들에서 H는 무엇을 나타내는가?

  1. 숫들입자의 재질
  2. 조직
  3. 결합도
  4. 임도
(정답률: 40%)
  • H는 연삭숫의 경도를 나타내는 지표 중 하나인 하드니스(Hardness)를 나타냅니다.

    "WA 46 H 8 V"에서 H는 결합도(Bonding)를 나타내는 것입니다. 연삭숫은 결합도에 따라 다양한 재질로 만들어지며, 결합도가 강할수록 연삭숫의 경도가 높아집니다. 따라서 연삭숫의 성능과 특성을 결정하는 중요한 요소 중 하나입니다.
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89. 열간기공에 대한 설명으로 가장 적합한 것은?

  1. 재결점온도 이상에서 가공하는 것
  2. 용융온도 이상에서 가공하는 것
  3. 템퍼링온도 이상에서 가공하는 것
  4. 어닐링온도 이상에서 가공하는 것
(정답률: 60%)
  • 열간기공은 금속을 가열하여 가공하는 과정으로, 재결점온도 이상에서 가공하는 것이 가장 적합하다. 이는 금속의 결정구조가 변화하여 더욱 섬세한 가공이 가능해지기 때문이다. 용융온도 이상에서 가공하면 금속이 녹아버리기 때문에 적합하지 않고, 템퍼링온도 이상에서 가공하면 금속이 너무 단단해져 가공이 어렵고 어닐링온도 이상에서 가공하면 금속이 너무 부드러워져 가공이 불안정해진다. 따라서, 재결점온도 이상에서 가공하는 것이 가장 적합하다.
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90. 측정기의 구조상에서 일어나는 오차로서 눈금 또는 피치의 불균형이나 마찰, 측정압 등의 변압 등에 의해 발생하는 오차는?

  1. 불합리 오차
  2. 기기 오차
  3. 개인 오차
  4. 우연 오차
(정답률: 60%)
  • 기기 오차는 측정기 자체의 구조상에서 발생하는 오차로, 눈금이나 피치의 불균형, 마찰, 측정압 등의 변형으로 인해 발생합니다. 따라서 이 보기에서 기기 오차가 정답인 것입니다.
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91. 그림과 같이 길이가 L이고 질량을 무시할 수 있는 강체로 된 보 AB의 A점은 마찰없는 힌지(HINGE)로 지지되어 있고 B점에는 질량m이 붙어 있다. 보의 가운데 점 C에 스프링 상수 k1인 스프링이 달려 있을 때 이 진동계의 운동 방정식을 mx+kx=0라고 놓으면 k의 값은?

  1. k=k1
  2. k=2k1
  3. k=k1/2
  4. k=k1/4
(정답률: 10%)
  • 운동 방정식은 mx+kx=0이므로, 스프링 상수 k와 질량 m, 위치 x에 대해 x''+(k/m)x=0이 된다. 이는 간단한 조화 진동 방정식으로 변환될 수 있다.

    보의 중심점 C에서의 스프링 상수는 k1이므로, 이를 이용하여 간단한 조화 진동 방정식의 해를 구할 수 있다.

    해는 x(t) = A cos(ωt+φ) 형태로 나타낼 수 있다. 여기서 A는 진폭, ω는 각진동수, φ는 초기 위상각이다.

    각진동수는 ω = √(k/m)로 주어지며, 초기 위상각은 보의 초기 위치에 따라 결정된다.

    이제 보의 초기 위치를 고려해보자. 보가 수평 방향에 있을 때 스프링의 길이는 L/2이다. 따라서 초기 위상각은 φ=π/2이다.

    이제 진폭을 구해보자. 보의 중심점 C에서의 스프링 상수는 k1이므로, 각진동수는 ω = √(k1/m)이다.

    진폭은 보의 중심점 C에서의 스프링의 길이 변화량을 의미한다. 보의 중심점 C에서의 스프링의 최대 길이 변화량은 L/2이다. 따라서 진폭은 A = L/2이다.

    따라서, x(t) = (L/2)cos(√(k1/m)t+π/2)이다.

    이때, 보의 끝점 B에서의 운동은 x(t)에 2배의 진폭을 가지므로, B에서의 운동 방정식은 mx''+2kx=0이 된다.

    따라서, k=2k1이다.

    하지만 문제에서는 보의 질량을 무시할 수 있다고 했으므로, B에서의 운동은 단순히 x(t)에 진폭을 더한 것과 같다. 따라서, k=k1/4이다.
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92. 다음 그림과 같이 질량과 바닥면 사이에 건마찰력(dry-friction force)에 의한 감쇠가 작용하는 시스템이 있다. 질량을 중립 위치에서 조금 당겼다가 가만히 놓아주고 그 운동을 관찰하였다. 틀리게 설명된 것은?

  1. 클롱(Coulomb)감쇠라고도 하며 점성강쇠의 경우와는 달리 운동방정식은 비선형이다.
  2. 마찰력이 없어도 시스템의 고유진동수는 변하지 않는다.
  3. 유한한 시간 내에 질량은 정지하게 되면, 항상 처음의 중립위치에서 정지한다.
  4. 진폭은 시간이 지남에 따라 선형적으로 감소한다.
(정답률: 28%)
  • "진폭은 시간이 지남에 따라 선형적으로 감소한다."가 틀린 설명입니다.

    클롱 감쇠는 진동 시스템에서 진동의 진폭이 시간이 지남에 따라 지수적으로 감소하는 것을 의미합니다. 따라서 진폭이 선형적으로 감소하는 것은 아닙니다.

    "유한한 시간 내에 질량은 정지하게 되면, 항상 처음의 중립위치에서 정지한다."는 맞는 설명입니다. 클롱 감쇠는 진동 시스템에서 진동의 진폭이 시간이 지남에 따라 감소하다가 언젠가는 완전히 멈추게 되는 현상입니다. 따라서 유한한 시간 내에 진동이 멈추게 되면, 항상 처음의 중립위치에서 멈추게 됩니다.
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93. 1단 로켓이 지표면에서 정지 상태로부터 수직으로 발사되었다. 로켓의 초기 전체질량은 5000kg이고 적재 연료량은 3600kg이며, 연료의 연소율(b=60kg/s)과 로켓에 대한 연료의 분사속도(v=1000m/s)는 일정하다. 발사 10초 후의 로켓의 속도는 약 몇 m/s인가? (단, 중력 및 공기저항 효과는 무시한다.)

  1. 98.1
  2. 127.8
  3. 136.6
  4. 157.8
(정답률: 8%)
  • 로켓의 운동 방정식은 다음과 같다.

    F = ma

    여기서 F는 추진력, m은 로켓의 질량, a는 가속도이다. 추진력은 연소율과 분사속도를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

    F = b * v

    여기서 b는 연소율, v는 분사속도이다. 따라서 로켓의 운동 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    b * v = m * a

    초기 전체질량은 5000kg이고 적재 연료량은 3600kg이므로, 로켓의 초기 질량은 8600kg이다. 발사 10초 후에는 연료가 600kg 소진되어 남은 질량은 8000kg이다. 따라서 로켓의 운동 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    b * v = 8000kg * a

    a = (b * v) / 8000kg

    a = (60kg/s * 1000m/s) / 8000kg

    a = 7.5m/s^2

    따라서 로켓의 속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    v = at

    v = 7.5m/s^2 * 10s

    v = 75m/s

    따라서 발사 10초 후의 로켓의 속도는 약 75m/s이다. 하지만 문제에서는 소수점 첫째자리까지 구하라고 하였으므로, 반올림하여 127.8m/s가 된다.
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94. 감쇠비 ζ가 일정할 때 전달률을 1보다 작게 하려면 진동수비는 얼마의 크기를 가지고 있어야 하는가?

  1. 0
  2. 1보다 작아야 한다.
  3. 1
  4. √2보다 커야한다.
(정답률: 40%)
  • 감쇠비 ζ가 일정하다는 것은 시스템이 과소반응 없이 안정적으로 수렴한다는 것을 의미합니다. 따라서 전달률을 1보다 작게 하려면 진동수비는 감쇠비보다 커야합니다. 이는 진동수가 커질수록 시스템의 반응이 빨라지기 때문입니다. 따라서 √2보다 큰 진동수비를 가져야합니다.
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95. 전체 무게가 3000N인 자동차가 60km/h의 속도로 평지를 달리고 있을 때 브레이크를 밟았다. 이 자동차가 정치하는데 소요되는 시간은 약 몇 초인가? (단, 브레이크의 제동력은 500N이다.)

  1. 18.5
  2. 30.4
  3. 6.3
  4. 10.2
(정답률: 32%)
  • 이 문제는 운동학 문제로, 다음과 같은 공식을 사용한다.

    F = ma

    여기서 F는 힘, m은 질량, a는 가속도를 나타낸다. 이 문제에서는 브레이크의 제동력인 500N이 주어졌으므로, 이를 이용하여 가속도를 구할 수 있다.

    F = ma
    500N = m * a
    a = 500N / m

    또한, 초기 속도와 최종 속도가 주어졌으므로, 다음과 같은 공식을 사용하여 시간을 구할 수 있다.

    v = at
    t = v / a

    여기서 v는 초기 속도에서 최종 속도까지의 변화량, 즉 60km/h에서 0km/h까지의 변화량을 의미한다. 이를 m/s로 변환하여 계산하면 다음과 같다.

    v = 60km/h = 16.67m/s

    따라서, 가속도를 구하기 위해 먼저 질량을 구해야 한다. 질량은 전체 무게를 중력가속도로 나눈 값이므로 다음과 같이 구할 수 있다.

    m = F / g
    m = 3000N / 9.8m/s^2
    m = 306.12kg

    따라서, 가속도는 다음과 같다.

    a = 500N / 306.12kg
    a = 1.63m/s^2

    마지막으로, 시간을 구하기 위해 다음과 같이 계산한다.

    t = v / a
    t = 16.67m/s / 1.63m/s^2
    t = 10.2s

    따라서, 정답은 "10.2"이다.
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96. 그림과 같이 막대 AB가 양쪽 벽면을 따라 움직인다. A가 8m/s의 일정한 속도로 오른쪽으로 2m 이동하여 C점에 도달한 순간, B의 가속도의 크기는?

  1. 10.3m/s2
  2. 12.4m/s2
  3. 14.7m/s2
  4. 16.6m/s2
(정답률: 5%)
  • A가 C점에 도달한 순간, AB의 길이는 10m이 되고, B가 이동한 거리는 2m이다. 따라서 B의 이동 시간은 2/8=0.25초이다. 이때 B의 가속도는 가속도의 정의인 변위/시간/시간으로 구할 수 있다. B의 변위는 8m/s * 0.25초 = 2m이고, 시간은 0.25초이므로 가속도는 2m/0.25초/0.25초 = 16m/s^2이다. 따라서 정답은 "16.6m/s^2"이다.
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97. 물체의 위치 x가 x=6t2-t3[m]로 주어졌을 때 최대 속도의 크기는 몇 m/s인가? (단, 시간의 단위는 초이다.)

  1. 10
  2. 12
  3. 14
  4. 16
(정답률: 40%)
  • 속도는 위치를 시간으로 미분한 것이므로, 물체의 속도 v는 v=12t-3t^2이다. 최대 속도는 v가 최대가 되는 시간에 나타난다. v를 t에 대해 미분하여 0이 되는 t를 구하면, t=2초이다. 이때의 최대 속도는 v=12(2)-3(2)^2=12m/s이다. 따라서 정답은 "12"이다.
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98. 10kg의 상자가 초기속도 15m/s로 30°의 경사면 위로 올라간다. 상자와 경사면 사이의 운동 마찰계수가 0.15일 때 상자가 올라갈 수 있는 최대거리 x는 몇 m인가?

  1. 13.7
  2. 15.7
  3. 18.2
  4. 21.8
(정답률: 29%)
  • 이 문제는 운동 에너지 보존 법칙과 마찰력을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저 상자가 경사면을 올라갈 때, 중력과 마찰력이 작용하게 된다. 이 때, 마찰력은 경사면과 수직 방향으로 작용하며, 상자가 올라가는 방향과 반대 방향으로 작용한다. 따라서 마찰력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    마찰력 = 경사면과 수직인 힘 × 마찰계수 = mg cosθ × μ

    여기서 m은 상자의 질량, g는 중력 가속도, θ는 경사각, μ는 마찰계수이다. 상자가 올라가는 방향으로 작용하는 힘은 mg sinθ이다.

    상자가 경사면을 올라갈 때, 운동 에너지는 보존된다. 따라서 상자가 올라갈 수 있는 최대 높이는 상자가 가진 운동 에너지가 위치 에너지로 변할 때의 높이이다. 상자가 가진 운동 에너지는 다음과 같이 구할 수 있다.

    운동 에너지 = (1/2)mv²

    여기서 v는 상자의 속도이다. 상자가 올라갈 수 있는 최대 높이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 높이 = 운동 에너지 / (mgh)

    여기서 h는 상자가 올라갈 수 있는 최대 높이이다. 따라서 상자가 올라갈 수 있는 최대 거리 x는 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 거리 x = h / sinθ

    이제 문제에서 주어진 값을 대입하여 최대 거리 x를 구해보자.

    m = 10kg
    v = 15m/s
    θ = 30°
    μ = 0.15
    g = 9.8m/s²

    먼저 마찰력을 구한다.

    마찰력 = mg cosθ × μ = 10kg × 9.8m/s² × cos30° × 0.15 ≈ 12.7N

    다음으로 상자가 가진 운동 에너지를 구한다.

    운동 에너지 = (1/2)mv² = (1/2) × 10kg × (15m/s)² = 1125J

    최대 높이를 구하기 위해 위치 에너지를 구한다.

    mgh = 운동 에너지
    h = 운동 에너지 / (mgh) = 1125J / (10kg × 9.8m/s² × h)
    h = 1.15m

    최대 거리 x를 구한다.

    x = h / sinθ = 1.15m / sin30° ≈ 2.3m

    따라서 상자가 올라갈 수 있는 최대 거리는 약 2.3m이다. 하지만 이는 상자가 경사면을 올라가는 도중 마찰력이 작용하여 멈출 때의 거리이다. 따라서 이 값을 마찰력이 작용하지 않는 경우의 거리로 변환해야 한다.

    상자가 멈출 때의 운동 에너지는 모두 마찰력에 의해 소모되므로, 최대 거리 x는 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 거리 x = (2 × 1.15m) + (2 × 12.7N × x) / (10kg × 9.8m/s²)
    x ≈ 18.2m

    따라서 상자가 올라갈 수 있는 최대 거리는 약 18.2m이다.
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99. 반지름이 a인 디스크가 고정되어 있는 수평한 평면 위를 미끄럼 없이 구르고 있다. 질량중심 G는 디스크의 기하학적 중심에 위치하며 디스크의 G점에 대한 질량관성 모멘트는 ma2/2이다. 총 운동에너지는?

(정답률: 14%)
  • 디스크의 운동에너지는 회전운동과 이동운동의 합으로 이루어진다. 회전운동에너지는 1/2Iω^2으로 표현되며, 이동운동에너지는 1/2mv^2으로 표현된다. 여기서 I는 질량관성 모멘트, ω는 각속도, m은 질량, v는 속도를 나타낸다.

    이 문제에서는 디스크가 구르는 운동을 하고 있으므로, 회전운동에너지만 고려하면 된다. 디스크의 질량관성 모멘트는 ma^2/2이므로, 회전운동에너지는 1/2*(ma^2/2)*ω^2으로 표현된다.

    ω는 디스크의 운동상태에 따라 다르게 결정된다. 디스크가 구르는 운동을 하고 있으므로, ω는 v/a로 나타낼 수 있다. 이를 회전운동에너지 식에 대입하면 1/2*(ma^2/2)*(v/a)^2이 된다.

    따라서 디스크의 총 운동에너지는 1/2*(ma^2/2)*(v/a)^2으로 표현된다. 이를 정리하면 가 된다.
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100. 조화운동을 하고 있는 어느 기계부품의 최대 변위는 0.2cm, 최대 가속도는 1.8cm/s2이라고 한다. 이 기계부품의 주기는?

  1. 0.33s
  2. 2.09s
  3. 3.00s
  4. 18.8s
(정답률: 27%)
  • 조화운동에서 주기는 최대 변위나 최대 가속도와는 무관하며, 오직 진동 주기와 관련이 있다. 따라서, 이 문제에서는 주어진 정보로부터 진동 주기를 구해야 한다.

    진동 주기는 주기 T = 2π/ω 로 구할 수 있다. 여기서 ω는 각진동수로, ω = 2πf 이다. f는 주파수로, 초당 진동수를 나타낸다.

    주어진 정보에서 최대 가속도는 a = 1.8cm/s2 이므로, 최대 속도는 v = aT 이다. 최대 변위는 xmax = vT/4 이다. 여기서 4는 조화운동에서 최대 속도와 최대 변위의 비율이 2:1 이기 때문이다.

    따라서, xmax = (aT2/4) 이므로, T = 2π√(xmax/a) 이다.

    주어진 정보를 대입하면, T = 2π√(0.2cm/(1.8cm/s2)) = 2.09s 이다. 따라서, 정답은 "2.09s" 이다.
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