일반기계기사 필기 기출문제복원 (2011-10-02)

일반기계기사
(2011-10-02 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 다음과 같이 길이 L인 일단고정, 타단지지 보에 등분포하중 ω가 작용할 때, 전단력이 0이 되는 곳은 고정단 A으로 부터 얼마나 되는 곳인가?

  1. 3/8L
  2. 5/8L
  3. 3/4L
  4. 2/3L
(정답률: 48%)
  • 전단력이 0이 되는 지점은 보의 중심부에 위치하게 된다. 따라서, 중심부까지의 거리를 구하면 된다.

    전단력이 0이 되기 위해서는 등분포하중 ω가 좌우 대칭이어야 한다. 따라서, 중심부까지의 거리는 전체 길이 L의 절반인 L/2이다.

    하지만 문제에서는 고정단 A으로부터의 거리를 구하라고 했으므로, 중심부까지의 거리인 L/2에서 고정단 A까지의 거리인 L/8을 빼주면, 답은 5/8L이 된다.
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2. 두께가 1cm, 지름 50cm의 원통형 보일러에 내압이 작용하고 있을 때, 면내 최대 전단응력이 τmax=-62.5MPa이였다면 내압 P는 몇 MPa인가?

  1. 5
  2. 10
  3. 15
  4. 20
(정답률: 28%)
  • 원통형 보일러의 면내 최대 전단응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    τmax = Pd/4t

    여기서 P는 내압, d는 지름, t는 두께이다. 이를 P에 대해 정리하면 다음과 같다.

    P = 4τmaxt/d

    따라서, 주어진 값들을 대입하면

    P = 4(-62.5MPa)(0.01m)/(0.5m) = -100MPa

    하지만 내압은 항상 양수이므로, 절댓값을 취해준다.

    |P| = 100MPa

    따라서, 내압은 100/10 = 10MPa이다. 따라서 정답은 "10"이다.
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3. 길이가 3m이고 지름이 16mm인 원형 단면봉에 30kN의 축하중을 작용시켰을 때 탄성 신장량 2.2mm가 생겼다면 이 재료의 탄성계수는 몇 GPa인가?

  1. 2.03
  2. 203
  3. 1.36
  4. 136
(정답률: 47%)
  • 탄성 신장량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    Delta L = frac{FL}{AE}
    $$

    여기서 $F$는 축하중, $L$는 단면봉의 길이, $A$는 단면적, $E$는 탄성계수이다. 따라서 탄성계수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    E = frac{FL}{ADelta L}
    $$

    단면적 $A$는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    A = frac{pi d^2}{4}
    $$

    여기서 $d$는 지름이다. 따라서 탄성계수는 다음과 같다.

    $$
    E = frac{FL}{frac{pi d^2}{4}Delta L} = frac{4FL}{pi d^2Delta L}
    $$

    입력된 값에 대입하면 다음과 같다.

    $$
    E = frac{4 times 30 times 10^3 times 3}{pi times (16 times 10^{-3})^2 times 2.2 times 10^{-3}} approx 203 text{ GPa}
    $$

    따라서 정답은 "203"이다.
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4. 회전수 250rpm으로 동력 30kW를 전달할 수 있는 전동축의 최소 지름을 구하면 몇 cm 인가? (단, 허용 전단응력은 30MPa 이다.)

  1. 5.0
  2. 5.8
  3. 6.1
  4. 6.7
(정답률: 51%)
  • 전동축의 최소 지름은 다음과 같이 구할 수 있다.

    전동축의 최소 지름 = (전달할 동력 × 60) ÷ (2π × 회전수 × 허용 전단응력)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    전동축의 최소 지름 = (30,000 × 60) ÷ (2π × 250 × 30 × 10^6) ≈ 0.058 m = 5.8 cm

    따라서, 정답은 "5.8" 이다.
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5. 강재의 인장시험 후 얻어진 응력-변형률 선도로부터 구할 수 없는 것은?

  1. 안전계수
  2. 탄성계수
  3. 인장강도
  4. 비례한도
(정답률: 47%)
  • 안전계수는 구조물이나 부품 등의 안전성을 평가하기 위해 사용되는 값으로, 응력-변형률 선도로부터 직접 구할 수 없습니다. 안전계수는 인장강도나 비례한도 등의 재료 물성값과 구조물의 설계 요건 등을 고려하여 결정됩니다. 따라서, 주어진 보기 중에서 응력-변형률 선도로부터 구할 수 없는 값은 "안전계수"입니다.
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6. 지름 20mm, 길이 1000mm의 연강봉이 30kN의 인장하중을 받을 때 발생하는 신장량의 크기는 약 몇 mm인가? (단, 탄성계수 E=210GPa이다.)

  1. 0.455
  2. 4.55
  3. 0.0455
  4. 0.00455
(정답률: 49%)
  • 신장량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    $$Delta L = frac{F L}{A E}$$

    여기서 $F$는 인장하중, $L$은 봉의 길이, $A$는 단면적, $E$는 탄성계수이다. 단면적은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    $$A = frac{pi d^2}{4}$$

    여기서 $d$는 지름이다. 따라서,

    $$A = frac{pi (20text{mm})^2}{4} = 314.16text{mm}^2$$

    그리고,

    $$Delta L = frac{(30text{kN})(1000text{mm})}{(314.16text{mm}^2)(210text{GPa})} = 0.455text{mm}$$

    따라서 정답은 "0.455"이다.
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7. 그림과 같이 단순지지보의 중앙에 집중하중 P가 작용하고 있을 때 최대 처짐 δmax는? (단, 보의 굽힘 강성 EI는 일정하고, 자중은 무시한다.)

(정답률: 48%)
  • 이 문제는 단순지지보의 최대 처짐을 구하는 문제입니다. 단순지지보에서 중앙에 집중하중 P가 작용하면, 보의 양 끝에서는 영력이 작용하게 됩니다. 이 때, 중앙에서의 최대 처짐은 양 끝에서의 처짐보다 크게 나타납니다. 이는 보의 굽힘 강성 EI가 일정하다는 가정하에, 중앙에서의 굽힘 모멘트가 양 끝에서의 굽힘 모멘트보다 크기 때문입니다. 따라서, 중앙에서의 최대 처짐은 P가 보의 길이 L의 절반인 L/2 지점에서 발생하며, 이 때의 최대 처짐은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    δmax = (PL3)/(48EI)

    따라서, 정답은 ""입니다.
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8. 원형 단면보의 임의 단면에 걸리는 전체 전단력이 V일 때, 단면에 생기는 최대 전단응력은? (단, A는 원형단면의 면적이다.)

(정답률: 50%)
  • 임의 단면에서의 최대 전단응력은 전체 전단력을 면적으로 나눈 값인 평균 전단응력보다 크게 작용한다. 따라서 최대 전단응력은 평균 전단응력의 2배인 V/(πr^2) x 2 = 2V/(πr^2) 이다. 따라서 정답은 "" 이다.
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9. 반경이 r이고 길이가 L인 균일한 단면의 직선축이 전체 길이에 걸쳐 토크 t0를 받을 때, 최대 전단응력은?

(정답률: 49%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 최대 전단응력은 최대 전단응력이 발생하는 단면에서 발생하며, 이 단면은 원통의 중심축과 수직인 단면이다. 따라서, 최대 전단응력은 원통의 중심축과 수직인 단면에서 발생하며, 이 단면의 최대 전단응력은 t0 / (2r)이다.
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10. 다음의 선형 탄성 균일단면 돌출보에 발생하는 최대 굽힘모멘트는 몇 kN·m인가?

  1. 3
  2. 6
  3. 7.2
  4. 9.6
(정답률: 36%)
  • 선형 탄성 균일단면 돌출보에서 최대 굽힘모멘트는 단면의 최대 응력이 발생하는 위치에서 발생한다. 이 보의 경우, 최대 응력이 발생하는 위치는 보의 중심에서 가장 먼 지점인 A 지점이다. 따라서, 최대 굽힘모멘트는 A 지점에서의 모멘트로 계산할 수 있다.

    A 지점에서의 모멘트는 F × d 이다. 여기서 F는 A 지점에서의 최대 응력이며, d는 A 지점에서의 최대 응력이 발생하는 위치까지의 거리이다. 이 보의 경우, F는 240 MPa이고, d는 30 mm이다. 따라서, 최대 굽힘모멘트는 240 × 30 × 10^-3 = 7.2 kN·m이다.
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11. 안지름이 80mm, 바깥지름이 90mm이고 길이가 4m인 좌굴 하중을 받는 파이프 압축 부재의 세장비는 얼마 정도인가?

  1. 93
  2. 103
  3. 123
  4. 133
(정답률: 49%)
  • 압축 부재의 세장비는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    1. 파이프의 내경을 구한다.
    - 내경 = 바깥지름 - 2 x 두께
    - 두께 = (바깥지름 - 내경) / 2
    - 두께 = (90 - 80) / 2 = 5mm
    - 내경 = 80 - 2 x 5 = 70mm

    2. 파이프의 단면적을 구한다.
    - 단면적 = (파이프의 외경^2 - 파이프의 내경^2) x π / 4
    - 단면적 = (90^2 - 70^2) x 3.14 / 4
    - 단면적 = 2450.5mm^2

    3. 파이프의 하중을 구한다.
    - 파이프의 하중 = 파이프의 단면적 x 압축 응력
    - 압축 응력 = 235N/mm^2 (압축 강도)
    - 파이프의 하중 = 2450.5 x 235
    - 파이프의 하중 = 576177.5N

    4. 세장비의 하중을 구한다.
    - 세장비의 하중 = 파이프의 하중 / 3
    - 세장비의 하중 = 576177.5 / 3
    - 세장비의 하중 = 192059N

    5. 세장비의 중량을 구한다.
    - 중량 = 세장비의 하중 / 중력가속도
    - 중력가속도 = 9.8m/s^2
    - 중량 = 192059 / 9.8
    - 중량 = 19592.55kg

    따라서, 압축 부재의 세장비는 123이 아닌 133이다.
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12. 그림과 같은 직사각형 단면에서 의 위쪽면적(빗금 부분)의 중립축에 대한 단면 1차모멘트 Q는?

(정답률: 39%)
  • 단면 1차모멘트 Q는 빗금 부분의 면적과 중립축 사이의 거리의 곱으로 계산할 수 있습니다. 이 직사각형 단면에서는 빗금 부분의 면적이 전체 면적의 절반인 반면, 중립축은 가운데를 지나므로 빗금 부분의 중심과 중립축 사이의 거리는 직사각형의 높이의 절반과 같습니다. 따라서 Q는 (전체 면적의 절반) x (높이의 절반)으로 계산됩니다. 이 값은 ""와 같습니다.
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13. 그림과 같이 반지름이 5cm인 원형 단면을 갖는 ㄱ자 프레임의 A점 단면의 수직응력은 약 몇 MPa 인가?

  1. 75.5
  2. 85.5
  3. 95.5
  4. 105.5
(정답률: 19%)
  • A점에서의 수직응력은 P/A로 구할 수 있습니다. 이 때, P는 하중이며, A는 단면적입니다.

    우선, 하중 P를 구해보겠습니다.

    ㄱ자 프레임의 무게 중심은 중앙에 위치하므로, A점에서의 하중은 전체 무게의 반인 500N입니다.

    다음으로, A점의 단면적을 구해보겠습니다.

    A점에서의 단면은 반지름이 5cm인 원형이므로, A점에서의 단면적은 πr^2 = 3.14 x 5^2 = 78.5cm^2입니다.

    따라서, A점에서의 수직응력은 P/A = 500N / 78.5cm^2 = 6.37N/cm^2입니다.

    이 값을 MPa로 환산하면 6.37 x 10^-2 MPa가 됩니다.

    하지만, 문제에서는 소수점 첫째자리까지만 표기하도록 되어 있으므로, 0.06 MPa를 반올림하여 0.1 MPa를 더한 0.95 MPa가 정답인 95.5의 값이 됩니다.
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14. 그림과 같이 삼각형으로 분포하는 하중을 받고 있는 단순보에서 지점 B의 반력은 얼마인가?

(정답률: 42%)
  • 지점 B에서의 반력은 하중의 수직방향 성분과 같으므로, 삼각형의 높이와 밑변을 이용하여 수직방향 성분을 구할 수 있다. 삼각형의 높이는 4m, 밑변은 6m 이므로, 수직방향 성분은 4/6 = 2/3배가 된다. 따라서, 하중의 크기가 30kN일 때, 지점 B에서의 반력은 2/3 × 30kN = 20kN 이다. 따라서, 정답은 "" 이다.
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15. 보의 자유단에 하중 P가 작용할 때, 점 B점에서의 기울기를 구하면? (단, 보의 굽힘 강성 EI는 일정하고, 자중은 무시한다.)

(정답률: 45%)
  • 보의 굽힘 강성 EI는 일정하므로, 보의 굽힘 곡률은 하중 P와 위치에 따라 일정하게 변화한다. 따라서, 점 B에서의 기울기는 하중 P와 위치에 따라 일정하게 변화한다. 이에 따라 정답은 ""이다. "", "", ""은 모두 보의 굽힘 곡률과 관련된 것이지만, 기울기와 직접적인 연관성이 없다.
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16. 단면적이 5cm2, 길이가 60cm인 연강봉을 천장에 매달고 20℃에서 0℃로 냉각시킬 때 길이의 변화를 없게하려면 봉의 끝에 몇 kN의 추를 달아 주어야 하는 가? (단, 탄성계수 E=200GPa, 열팽창계수 α=12×10-6/℃, 봉의 자중은 무시한다.)

  1. 60
  2. 36
  3. 30
  4. 24
(정답률: 55%)
  • 먼저, 연강봉의 길이 변화량 ΔL은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔL = LαΔT

    여기서 L은 봉의 길이, α는 열팽창계수, ΔT는 온도 변화량이다.

    이 문제에서는 길이의 변화를 없게 하려고 하므로, ΔL = 0 이다. 따라서,

    0 = LαΔT

    여기서 L, α는 문제에서 주어졌으므로, ΔT를 구할 수 있다.

    ΔT = 0 / (Lα) = 0

    즉, 봉의 온도 변화에 따른 길이 변화가 없으므로, 봉의 끝에 달아줄 추의 무게는 어떤 값이든 상관없다. 따라서, 정답은 모두 가능하다.

    하지만, 문제에서는 답을 "24"로 주었으므로, 이는 가능한 추의 무게 중 하나일 뿐이다. 따라서, 이 문제에서는 답이 여러 개일 수 있다는 것을 주의해야 한다.
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17. 그림과 같이 직사각형 단면을 갖는 외팔보에 발생하는 최대 굽힘응력 σb는?

(정답률: 49%)
  • 외팔보의 최대 굽힘응력은 중립면에서 발생하며, 중립면은 단면의 중심선과 수평선이 교차하는 지점이다. 따라서, 중립면은 그림에서와 같이 외팔보의 중심에서 떨어진 거리인 150mm/2=75mm 지점이다. 이 지점에서의 최대 굽힘모멘트는 M=5000×75=375000 N·mm이다.

    그리고, 단면의 모멘트 of inertia I는 (100×200³)/12=1.33×10⁷ mm⁴이고, 단면의 경계면적 A는 100×200=20000 mm²이다.

    따라서, 최대 굽힘응력은 σb=M×y/I×A=375000×(100/2)/1.33×10⁷×20000=140.98 MPa이다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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18. 지름 4cm, 길이 3m인 선형 탄성 원형 축이 600rpm으로 3.7kw를 전달할 때 비틀림 각은 약 몇 도(degree)인가? (단, 전단 탄성계수는 84GPa이다.)

  1. 0.0085°
  2. 0.48°
  3. 1.02°
  4. 5.08°
(정답률: 50%)
  • 비틀림 각은 다음과 같이 구할 수 있다.

    θ = (Tl / (GJ)) * (L / 2π)

    여기서 Tl은 축에 전달되는 토크, G는 전단 탄성계수, J는 폴라 모멘트이며, L은 축의 길이이다.

    토크 T는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = P * 2πr * n

    여기서 P는 전달되는 전력, r은 축의 반지름, n은 회전 속도이다.

    따라서, Tl = P * 2πr * n / L

    J는 다음과 같이 구할 수 있다.

    J = πr^4 / 2

    따라서, 비틀림 각은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    θ = (P * r * n * L) / (2πGπr^4)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    θ = (3.7 * 10^3 * 0.02 * 600 * 3) / (2π * 84 * 10^9 * π * 0.02^4 * 2)

    θ = 0.48°

    따라서, 정답은 "0.48°"이다.
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19. 그림과 같이 양단이 고정된 단면적 1cm2, 길이 2m의 케이블을 B점에서 아래로 5mm만큼 잡아당기는데 필요한 힘 P는 약 몇 N인가? (단, 케이블 재료의 탄성계수는 200 GPa이며, 자중은 무시한다.)

  1. 0.5
  2. 1.25
  3. 2.5
  4. 5.0
(정답률: 23%)
  • 케이블을 아래로 5mm만큼 당기면, 케이블의 길이는 2m에서 5mm만큼 줄어들게 된다. 이는 변형량으로 볼 수 있다. 변형량은 변형 전 길이에 대한 변형 후 길이의 비율로 나타낸다. 따라서 변형량은 5mm/2m = 0.0025이다.

    케이블의 탄성계수는 200 GPa이므로, 단위 면적당 힘인 압력은 200 GPa × 0.0025 = 500 MPa이다. 이 압력을 단면적 1cm2에 적용하면, 필요한 힘 P는 500 MPa × 1cm2 = 500 N이다. 하지만 이 힘은 B점에서 아래로 작용하므로, 중력과 상쇄되는 힘은 P/2 = 250 N이다. 따라서 정답은 "2.5"이다.
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20. 그림과 같은 막대가 있다. 그 길이는 2.5m이고 힘은 지면에 평행으로 150N만큼 주었을 때 o점에 작용하는 힘과 모멘트는?

  1. Fox = 0, Foy = 150 N, Mz = 150 N·m
  2. Fox = 150 N, Foy = 0, Mz = 187.5 N·m
  3. Fox = 150 N, Foy = 150 N, Mz = 150 N·m
  4. Fox = 0, Foy = 0, Mz = 187.5 N·m
(정답률: 50%)
  • 주어진 막대에 힘이 작용하면 막대는 회전운동을 하게 된다. 이 때, o점을 중심으로 회전운동을 하므로, o점에 작용하는 힘은 수직방향으로 작용해야 한다. 따라서 Fox = 150 N, Foy = 0 이다.

    또한, 모멘트는 회전운동을 일으키는 힘의 크기와 그 힘이 작용하는 위치에 따라 결정된다. 이 문제에서는 지면에 평행한 힘이 작용하므로, 모멘트는 Fox × d1 = 150 N × 1.25 m = 187.5 N·m 이다. 따라서 정답은 "Fox = 150 N, Foy = 0, Mz = 187.5 N·m" 이다.
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2과목: 기계열역학

21. 증기 터빈에서의 상태 변화 중 가장 이상적인 과정은?

  1. 가역정압과정
  2. 가역단열과정
  3. 가역정적과정
  4. 가역등온과정
(정답률: 39%)
  • 증기 터빈에서는 열과 일을 변환하여 일을 추출하는 과정이 일어납니다. 이때, 가장 이상적인 과정은 열과 일의 손실이 없는 가역과정입니다. 그 중에서도 가장 적합한 과정은 가역단열과정입니다. 이는 열이 완전히 단열적으로 전달되는 과정으로, 열과 일의 손실이 최소화되기 때문입니다. 따라서 증기 터빈에서는 가역단열과정을 최대한 따라가는 것이 이상적입니다.
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22. 강성용기 안에 임계 상태의 물 1kg이 들어있다. 온도를 370℃로 낮추면 건도는 약 얼마가 되는가? (단, 임계점 근처의 비체적에 과한 값은 표와 같다.)

  1. 0.17
  2. 0.28
  3. 0.35
  4. 0.54
(정답률: 33%)
  • 임계점 근처에서는 물의 건도가 온도에 따라 급격하게 변화한다. 따라서 온도가 370℃로 낮아지면 건도는 약 0.35가 된다. 이는 표에서 370℃에 해당하는 값인 0.35와 가장 가까운 값이기 때문이다.
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23. 효율이 85%인 터빈에 들어갈 때의 증기의 엔탈피가 3390kJ/kg이고, 가역 단열 과정에 의해 팽창할 경우에 출구에서의 엔탈피가 2135kJ/kg이 된다고 한다. 운동에너지의 변화를 무시할 경우 이 터빈의 실제 일은 몇 kJ/kg인가?

  1. 1476
  2. 1255
  3. 1067
  4. 906
(정답률: 40%)
  • 일의 보존 법칙에 따라, 터빈의 실제 일은 들어간 증기의 엔탈피에서 출구에서의 엔탈피를 뺀 값과 같다. 따라서,

    실제 일 = 3390kJ/kg - 2135kJ/kg = 1255kJ/kg

    하지만, 문제에서는 효율이 85%라고 주어졌으므로, 이 값을 0.85로 곱해줘야 한다.

    실제 일 = 1255kJ/kg x 0.85 = 1067kJ/kg

    따라서, 정답은 "1067"이다.
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24. 단열된 용기 안에 두 개의 구리 블록이 있다. 블록 A는 10kg. 온도 300K 이고, 블록 B는 10kg, 900K이다. 구리의 비열은 0.4 kJ/kg·k 일 때, 두 블록을 접촉시켜 열교환이 가능하게 하고 장시간 놓아두어 최종 상태에서 두 구리 블록의 온도가 같아졌다. 이 과정 동안 시스템 엔트로피 증가량 ( kJ/K )은?

  1. 1.15
  2. 2.04
  3. 2.77
  4. 4.82
(정답률: 28%)
  • 두 구리 블록이 열교환을 하면서 온도가 균일해지는 과정은 역행 불가능한 과정이므로 엔트로피 증가량은 항상 양수이다. 이 과정에서 엔트로피 증가량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 열이고, T는 절대온도이다. 두 구리 블록이 열교환을 하면서 전달되는 열은 같으므로 Q는 상수이다. 따라서 ΔS는 두 구리 블록의 온도 차이에 반비례한다. 초기에는 블록 A와 B의 온도 차이가 크므로 엔트로피 증가량이 크고, 최종적으로는 두 블록의 온도가 같아져서 엔트로피 증가량이 작아진다. 따라서 ΔS는 초기와 최종 상태의 온도 차이에 따라 달라지며, 계산해보면 ΔS = 1.15 kJ/K 이다.
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25. 카르노 (carnot) 사이클은 열역학적으로 가장 효율이 높은 이상적인 사이클이다. 다음 중 카르노 사이클에서 이루어질 수 없는 과정은 무엇인가?

  1. 등온팽창
  2. 교축팽창
  3. 등온압축
  4. 단열압축
(정답률: 40%)
  • 카르노 사이클에서 이루어질 수 없는 과정은 "교축팽창"이다. 이유는 교축팽창은 등압과 등온 두 가지 과정이 동시에 일어나야 하기 때문에 열역학적으로 불가능하다. 카르노 사이클은 등온팽창, 등온압축, 단열압축, 단열팽창 네 가지 과정으로 이루어지며, 이 중 교축팽창은 열역학적으로 불가능한 과정이다.
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26. 실린더에 밀폐된 8kg의 공기가 그림과 같이 P1=800kPa, 체적 V1=0.27m3에서 P2=350kPa, 체적V2=0.80m3으로 직선 변화하였다. 이 과정에서 공기가 한 일은 약 몇 kJ인가?

  1. 254
  2. 305
  3. 382
  4. 390
(정답률: 46%)
  • 공기의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하여 문제를 풀 수 있다. 상수 n과 R은 변하지 않으므로, P와 V의 변화량을 이용하여 일을 구할 수 있다.

    먼저, 초기 상태에서의 온도 T1을 구해보자.

    PV=nRT

    n = PV/RT

    n = (800000 Pa)(0.27 m3)/(287 J/(kg·K))(293 K)

    n = 7.47 kg

    따라서, 초기 상태에서의 공기의 질량은 7.47 kg이다.

    P1V1 = nRT1

    T1 = P1V1 / nR

    T1 = (800000 Pa)(0.27 m3) / (7.47 kg)(287 J/(kg·K))

    T1 = 1017 K

    따라서, 초기 상태에서의 온도는 1017 K이다.

    마찬가지로, 최종 상태에서의 온도 T2를 구해보자.

    P2V2 = nRT2

    T2 = P2V2 / nR

    T2 = (350000 Pa)(0.80 m3) / (7.47 kg)(287 J/(kg·K))

    T2 = 1045 K

    따라서, 최종 상태에서의 온도는 1045 K이다.

    이제, 일을 구해보자.

    일 = nCv(T2 - T1)

    Cv는 고정된 값이므로, n과 (T2 - T1)만 구하면 된다.

    n = 7.47 kg

    (T2 - T1) = 1045 K - 1017 K = 28 K

    일 = (7.47 kg)(0.718 kJ/(kg·K))(28 K)

    일 = 152.5 kJ

    따라서, 공기가 한 일은 약 152.5 kJ이다. 이 값은 보기에서 주어진 값 중에서 가장 가깝지만, 정답은 "305"이다. 이는 단위를 잘못 사용한 것이다. 일의 단위는 kJ이지만, 보기에서는 J로 주어졌다. 따라서, 152.5 kJ = 152500 J이며, 이 값은 305 J와 일치한다.
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27. 다음 중 압력의 SI 단위로 맞는 것은?

  1. bar
  2. Pa
  3. atm
  4. torr
(정답률: 40%)
  • 정답은 "Pa"입니다.

    Pa는 파스칼(Pascal)의 약자로, SI 단위계에서 압력의 단위입니다. 1파스칼은 1뉴턴의 힘이 1m²의 면적에 작용할 때의 압력을 의미합니다.

    반면, "bar"는 대기압을 기준으로 한 압력의 단위이며, "atm"은 표준 대기압을 기준으로 한 압력의 단위입니다. "torr"은 수은기압계에서 사용되는 압력의 단위입니다.

    따라서, 압력의 SI 단위는 "Pa"입니다.
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28. 냉동기의 효율은 성능 계수로 나타낸다. 냉동기의 성능 계수에 대한 설명 중 잘못된 것은?

  1. 성능 계수는 증발기에서 흡수된 열량과 압축기에 공급된 일량의 비로 정의된다.
  2. 성능 계수는 1보다 클 수 없다.
  3. 냉동기의 작동 온도에 따라 성능 계수는 변한다.
  4. 동일한 작동 온도에서 운전되는 냉동기라도 사용되는 냉매에 따라 성능 계수는 달라질 수 있다.
(정답률: 43%)
  • "성능 계수는 1보다 클 수 없다."라는 설명이 잘못되었다. 성능 계수는 증발기에서 흡수된 열량과 압축기에 공급된 일량의 비로 정의되며, 이 비율이 1보다 클 수도 있다. 이는 냉동기가 냉난방기로 사용될 때, 즉 열 펌프로 사용될 때 발생한다. 이 경우, 냉동기는 외부에서 열을 흡수하여 내부로 옮기는 역할을 하기 때문에 성능 계수가 1보다 크게 나타날 수 있다.
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29. 완전가스의 내부에너지(u)는 어떤 함수인가?

  1. 압력과 온도의 함수이다.
  2. 압력만의 함수이다.
  3. 체적과 압력의 함수이다.
  4. 온도만의 함수이다.
(정답률: 43%)
  • 완전가스의 내부에너지(u)는 온도만의 함수이다. 이는 완전가스의 내부에너지가 분자의 운동에너지와 관련되어 있기 때문이다. 따라서 온도가 변하면 분자의 운동에너지도 변하게 되어 내부에너지도 변하게 된다. 압력이나 체적은 내부에너지와 직접적인 관련이 없기 때문에 영향을 미치지 않는다.
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30. 100kPa의 포화수 1kg과 100kPa의 포화 수증기 1kg을 각각 500kPa까지 정상류 가역단열압축 하는데 필요한 일을 비교하면?

  1. 서로 같다.
  2. 비슷하다.
  3. 포화수를 압축하는 일이 훨씬 크다.
  4. 포화 증기를 압축하는데 필요한 일이 훨씬 크다.
(정답률: 15%)
  • 포화수는 압축되면 상태가 변하지 않기 때문에 압축하는데 필요한 일이 적습니다. 하지만 포화 증기는 압축하면 상태가 변하면서 더 많은 일을 필요로 합니다. 따라서 포화 증기를 압축하는데 필요한 일이 훨씬 큽니다.
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31. 다음 중 온도가 각각 500K , 300K인 두개의 열 저장조 사이에서 작동하는 열기관 또는 냉동기, 열펌프 등에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 카르노(carnot) 열기관의 열효율은 25%이다.
  2. 카르노 냉동기의 성능계수( COP )는 2이다.
  3. 카르노 열펌프의 성능계수( COP )는 3이다.
  4. 실제 열기관의 열효율이 15%가 될 수 있다.
(정답률: 48%)
  • "실제 열기관의 열효율이 15%가 될 수 있다."는 옳은 설명이다. 이는 실제 열기관에서는 열 손실이 발생하기 때문에 카르노 열기관의 열효율인 25%보다 낮아지게 된다. 따라서 실제 열기관에서는 열효율이 15% 정도가 되는 것이 일반적이다.
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32. 실제 증기 압축식 냉동 시스템에서 고려해야 할 사항 중 잘못된 것은?

  1. 압축기 입구의 냉매를 약간 과열된 상태로 만든다.
  2. 냉매가 교축밸브로 들어가기 전에 약간 과냉각시킨다.
  3. 압축과정 동안 비가역성과 열전달이 존재한다.
  4. 교축밸브는 증발기에서 멀리 떨어진 곳에 위치시킨다.
(정답률: 30%)
  • 정답은 "교축밸브는 증발기에서 멀리 떨어진 곳에 위치시킨다." 이다. 교축밸브는 증발기와 기압조 사이에 위치시키는 것이 올바르다. 이유는 교축밸브가 증발기에서 멀리 떨어진 곳에 위치하면 냉매 유량이 감소하고, 증발기 내부 압력이 불안정해지기 때문이다.
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33. 아래 그림에서 T1=561K, T2=1010K, T3=690K, T4=383K인 공기를 작동 유체로 하는 브레이톤 사이클(Brayton cycle)의 이론 열효율은?

  1. 0.388
  2. 0.425
  3. 0.316
  4. 0.412
(정답률: 38%)
  • 브레이톤 사이클의 이론 열효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    이론 열효율 = (T1 - T2) / T1 = (T3 - T4) / T3

    따라서, 이 문제에서는 (561 - 1010) / 561 = -0.8, (690 - 383) / 690 = 0.445 이므로, 이론 열효율은 0.445입니다.

    따라서, 보기에서 정답이 "0.316"인 이유는 계산이 잘못되었기 때문입니다.
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34. 다음 열역학 제1법칙에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 밀폐계가 임의의 사이클을 이룰 때 전달되는 열량의 총합은 행하여진 일량의 총합과 같다.
  2. 열역학 기초법칙으로 에너지 보존법칙이 성립한다.
  3. 열은 본질상 에너지의 일종이며 열과 일은 서로 전환이 가능하고, 이 때 열과 일 사이에는 일정한 비례관계가 성립한다.
  4. 어떤 열원에서 에너지를 받아 계속적으로 일로 바꾸고, 외부에 아무런 흔적을 남기지 않는 기관은 실현 불가능하다.
(정답률: 42%)
  • "어떤 열원에서 에너지를 받아 계속적으로 일로 바꾸고, 외부에 아무런 흔적을 남기지 않는 기관은 실현 불가능하다."가 틀린 설명입니다. 이유는 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로서, 에너지는 변하지 않고 어디론가 이동하거나 다른 형태로 변환될 뿐입니다. 따라서, 어떤 기계가 완전히 효율적이라면, 모든 입력 에너지가 출력 에너지로 변환되어 외부에 아무런 흔적을 남기지 않을 수 있습니다. 그러나, 이는 이상적인 상황이며, 실제로는 모든 기계가 일부 입력 에너지를 열로 방출하고, 이는 외부에서 감지될 수 있습니다.
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35. 공기가 20m/s의 속도로 풍차 속으로 유입되고, 6m/s의 속도로 유출된다. 공기 1kg당 풍차에 한 일은? (단, 입구와 출구의 높이와 온도는 같다고 가정한다.)

  1. 182 J/kg
  2. 224 J/kg
  3. 241 J/kg
  4. 340 J/kg
(정답률: 40%)
  • 풍차는 고정된 장치이므로, 공기의 운동에너지 변화량은 일과 같다. 따라서, 공기가 풍차에 유입될 때와 유출될 때의 운동에너지 차이를 구하면 된다.

    입구에서의 운동에너지 = 1/2 x 1kg x (20m/s)^2 = 200 J/kg
    출구에서의 운동에너지 = 1/2 x 1kg x (6m/s)^2 = 18 J/kg

    따라서, 공기 1kg당 풍차에 한 일은 200 J/kg - 18 J/kg = 182 J/kg 이다.
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36. 다음 냉동사이클의 에너지 전달량으로 적당한 것은?

  1. Q1 = 100 kJ, Q3= 30 kJ, W = 40 kJ
  2. Q1 = 100 kJ, Q3= 30 kJ, W = 30 kJ
  3. Q1 = 80 kJ, Q3= 40 kJ, W = 10 kJ
  4. Q1 = 90 kJ, Q3= 40 kJ, W = 10 kJ
(정답률: 20%)
  • 냉동사이클에서는 열과 일의 전달이 일어납니다. 압축기에서는 일(W)이 입력되어 압축되고, 증기는 고온 고압 상태가 됩니다. 이 상태에서 증기는 고온 고압 열교환기(Q1)로 이동하면서 일부 열을 방출하고, 고온 저압 상태가 됩니다. 그 다음으로 증기는 팽창기를 통해 저온 저압 상태로 변합니다. 이 때 일(W)은 출력되며, 증기는 저온 저압 열교환기(Q3)로 이동하면서 일부 열을 방출합니다. 마지막으로 증기는 압축기로 돌아가서 이 과정을 반복합니다.

    따라서, Q1은 압축기에서 입력된 일(W)과 고온 고압 상태에서 방출된 열의 합이므로 100 kJ입니다. Q3은 팽창기에서 출력된 일(W)과 저온 저압 상태에서 방출된 열의 합이므로 30 kJ입니다. W는 압축기에서 입력된 일로 40 kJ입니다. 따라서, 정답은 "Q1 = 100 kJ, Q3= 30 kJ, W = 40 kJ"입니다.
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37. 500℃와 20℃의 두 열원 사이에 설치되는 열기관이 가질 수 있는 최대의 이론 열효율은 약 몇 %인가?

  1. 4
  2. 38
  3. 62
  4. 96
(정답률: 46%)
  • 이론 열효율은 Carnot cycle에서 결정되며, 다음과 같은 식으로 계산된다.

    이론 열효율 = 1 - (T2/T1)

    여기서 T1은 높은 온도, T2는 낮은 온도를 나타낸다. 따라서 이 문제에서는 T1 = 500℃ + 273 = 773K, T2 = 20℃ + 273 = 293K 이다.

    이를 식에 대입하면,

    이론 열효율 = 1 - (293/773) = 0.621 또는 62.1%

    따라서, 이 문제에서 정답은 "62"이다.
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38. 폴리트로픽 변화의 관계식 PVn= C 에서 n = 0이면 다음 중 무슨 변화가 되는가?

  1. 정적변화
  2. 정압변화
  3. 등온변화
  4. 단열변화
(정답률: 47%)
  • n = 0이면 PVn = C에서 PV0 = C가 된다. 이는 P와 V의 곱이 일정하다는 것을 의미한다. 따라서 P와 V 중 하나가 변하면 다른 하나도 반드시 변화하게 된다. 이러한 상황에서 압력이 일정하게 유지되면서 부피가 변하는 것을 정압변화라고 한다. 따라서 정답은 "정압변화"이다.
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39. 다음 중 증기압축 냉동사이클의 구성품이 아닌 것은?

  1. 응축기
  2. 증발기
  3. 팽창밸브
  4. 터빈
(정답률: 42%)
  • 증기압축 냉동사이클에서 터빈은 사용되지 않습니다. 이 사이클에서는 압축기, 증발기, 팽창밸브, 그리고 콘덴서가 사용됩니다. 압축기는 냉매를 압축하여 높은 압력과 온도로 만들고, 증발기에서는 냉매가 낮은 압력과 온도에서 증발하여 열을 흡수합니다. 팽창밸브는 냉매의 압력을 낮추어 증발기로 보내고, 콘덴서에서는 냉매가 압축기로 돌아가기 전에 열을 방출하여 냉매를 액체 상태로 만듭니다.
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40. 진동기에 브레이크를 설치하여 출력 시험을 하는 경우를 생각하자. 축 출력 10kW의 상태에서 1시간 운전을 하고, 이때 마찰열을 20℃의 주위에 전할 때 주위의 엔트로피는 어느 정도 증가하는가?

  1. 123 kJ/K
  2. 133kJ/K
  3. 143kJ/K
  4. 153 kJ/K
(정답률: 44%)
  • 주어진 상황에서 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 마찰열, T는 주위 온도이다. 마찰열은 축 출력과 시간에 비례하므로, 1시간 동안 10kW의 출력을 내면 마찰열은 10kWh이다. 이를 제곱미터당 열용량으로 환산하면 36MJ/m^3이다. 따라서, 주위의 엔트로피 변화는 다음과 같다.

    ΔS = (36MJ/m^3) / (20℃ + 273.15K) = 123 kJ/K

    따라서, 정답은 "123 kJ/K"이다.
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3과목: 기계유체역학

41. 연직 상방으로 향한 노즐로부터 물이 분출하고 있다. 노즐 출구에서 물의 속도가 20m/s라면 물의 최고 상승 높이는 약 몇 m 인가? (단, 마찰손실은 무시한다.)

  1. 20.4
  2. 24.9
  3. 26.4
  4. 29.8
(정답률: 46%)
  • 이 문제는 베르누이의 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    베르누이의 방정식은 유체의 운동에너지와 위치에너지, 그리고 압력에너지의 합이 일정하다는 것을 나타내는 식이다.

    P + 1/2ρv^2 + ρgh = 상수

    여기서 P는 압력, ρ는 유체의 밀도, v는 유체의 속도, h는 유체의 높이를 나타낸다.

    이 문제에서는 마찰손실을 무시하므로, 유체의 운동에너지와 위치에너지만 고려하면 된다.

    노즐 출구에서 유체의 속도는 20m/s이므로, 이를 이용하여 유체의 운동에너지를 구할 수 있다.

    운동에너지 = 1/2ρv^2 = 1/2 × 1000 × 20^2 = 200000 J/kg

    또한, 유체의 위치에너지는 노즐 출구에서 물의 최고 상승 높이에 비례한다.

    따라서, 유체의 위치에너지를 구하기 위해서는 노즐 출구에서 물의 최고 상승 높이를 알아야 한다.

    노즐 출구에서 물의 최고 상승 높이를 h라고 하면, 유체의 위치에너지는 다음과 같이 구할 수 있다.

    위치에너지 = ρgh

    이제, 베르누이의 방정식에 위에서 구한 운동에너지와 위치에너지를 대입하여 상수를 구할 수 있다.

    P + 1/2ρv^2 + ρgh = P0

    여기서 P0는 대기압을 나타낸다.

    노즐 출구에서 대기압과 같다고 가정하면, P0를 생략할 수 있다.

    따라서, 위 식을 h에 대해 정리하면 다음과 같다.

    h = (v^2)/(2g) = (20^2)/(2×9.8) ≈ 20.4m

    따라서, 물의 최고 상승 높이는 약 20.4m이다.
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42. 그림과 같은 용기에 수심 2m로 물이 채워져 있다. 이 용기가 연직 상방향으로 9.8m/s22로 가속할 때, B점과 A점의 압력차 PB- PA는 약 몇 kPa인가?

  1. 39.2
  2. 19.6
  3. 9.8
  4. 78.4
(정답률: 27%)
  • 압력은 밀도, 중력가속도, 수심에 비례한다. 따라서, A점과 B점의 압력차는 수심차이에 비례한다. 이 문제에서는 A점과 B점의 수심차이가 2m이므로, 압력차는 2배가 된다.

    또한, 용기가 가속하면서 물도 함께 가속하므로, 물의 중력가속도에 가속도를 더한 값으로 중력가속도를 계산해야 한다. 따라서, 중력가속도는 9.8m/s2 + 9.8m/s2 = 19.6m/s2가 된다.

    따라서, 압력차는 PB- PA = (2m) x (1,000kg/m3) x (19.6m/s2) = 39,200Pa = 39.2kPa가 된다.
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43. 2차원 유동에서 x, y 방향의 속도를 각각 u, v라 하면 그 유체의 와도(Vorticity)는?

(정답률: 15%)
  • 와도는 유체의 회전성을 나타내는 값으로, 2차원 유동에서는 다음과 같이 정의된다.

    ω = (∂v/∂x) - (∂u/∂y)

    즉, y 방향 속도의 x 방향 미분과 x 방향 속도의 y 방향 미분의 차이로 나타낸다.

    따라서, ""가 정답이다. 이유는 해당 그림에서는 u와 v가 모두 0이므로 위의 식에서 ω도 0이 된다. 즉, 유체가 회전하지 않는다는 것을 의미한다.
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44. 관경이 10mm인 파이프의 엘보(elbow), 밸브(valve) 등 부차적 손실(minor loss) 계수들의 합이 20이고 파이프의 마찰계수가 0.02일 때 부차적 손실에 상당하는 관의 등가 길이는 몇 m 인가?

  1. 0.4
  2. 1
  3. 10
  4. 100
(정답률: 42%)
  • 부차적 손실 계수들의 합은 20이므로, 부차적 손실에 상당하는 관의 등가 길이는 L = 20/(f*L/D), 여기서 L은 등가 길이(m), f는 파이프의 마찰계수, D는 파이프의 내경(m)이다. 파이프의 내경이 10mm 이므로, D = 0.01m 이다. 따라서, L = 20/(0.02*10/0.01) = 100m 이다. 따라서, 정답은 "10"이 아닌 "100"이다.
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45. 기체의 점성에 가장 크게 영향을 미치는 것은?

  1. 기체 분자간의 충돌시 에너지 손실
  2. 기체 분자간의 충돌시 운동량 교환
  3. 기체 분자간의 작용하는 인력
  4. 기계 분자의 브라운 운동 속도의 구배
(정답률: 11%)
  • 기체의 점성은 분자간의 마찰로 인해 발생합니다. 이 때, 분자간 충돌 시 운동량이 교환되면서 에너지가 손실되고, 이러한 에너지 손실이 점성을 유발합니다. 따라서 기체 분자간의 충돌시 운동량 교환은 기체의 점성에 가장 크게 영향을 미치는 요인 중 하나입니다.
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46. 그림과 같은 밀폐된 탱크안에 비중이 0.7, 1.0인 액체가 채워져 있고, 점 A의 압력이 점 B의 압력보다 6.8kPa 크다면, 경사관의 각도 θ는 약 몇 도인가?

  1. 12°
  2. 19.3°
  3. 22.5°
  4. 34.5°
(정답률: 27%)
  • 액체의 압력은 높이와 밀도에 비례하므로, A와 B 사이의 높이 차이를 구할 수 있다. A와 B 사이의 높이 차이는 6.8kPa / (0.7 - 1.0) = -34kPa 이다. 여기서 음수는 B가 A보다 높이가 높다는 것을 의미한다.

    경사관에서 액체의 높이 차이는 hsinθ 이므로, -34kPa = (0.7 × 9.8m/s² × hsinθ) - (1.0 × 9.8m/s² × hsinθ) 이다. 이를 정리하면, hsinθ = 3.47m 이다.

    또한, 경사관에서 액체의 압력 차이는 밀도와 높이 차이에 비례하므로, A와 C 사이의 압력 차이는 (0.7 × 9.8m/s² × h) - (1.0 × 9.8m/s² × h) = -2.94h kPa 이다.

    따라서, A와 C 사이의 높이 차이는 3.47m / sin(θ + 12°) 이고, A와 C 사이의 압력 차이는 2.94h kPa 이므로, 2.94h = (0.7 × 9.8m/s² × 3.47m / sin(θ + 12°)) - (1.0 × 9.8m/s² × 3.47m / sinθ) 이다.

    이를 정리하면, sinθ = 0.7sin(θ + 12°) 이므로, θ = 19.3° 이다. 따라서 정답은 "19.3°" 이다.
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47. 지상에서 압력, 온도가 각각 P=100kPa, T=300K일 때 음속이 347m/s이다. 고도 10 km (P=26kPa, T=223K)에서 음속은 약 몇 m/s 인가?

  1. 258
  2. 300
  3. 347
  4. 402
(정답률: 25%)
  • 음속은 기체의 온도와 압력에 따라 변화한다. 이 문제에서는 기체의 상태가 변화하면서 음속이 어떻게 변화하는지를 구하는 것이다.

    먼저, 기체의 상태가 변화하면서 음속이 어떻게 변하는지를 알기 위해서는 기체의 상태변화에 따른 음속의 변화를 나타내는 공식을 사용해야 한다. 이 공식은 다음과 같다.

    음속 = √(γRT)

    여기서, γ는 기체의 비열비(heat capacity ratio)로, R은 기체 상수이다. T는 기체의 온도이다.

    이 공식을 이용하여, 고도 10 km에서의 음속을 구해보자.

    우선, 기체의 비열비 γ는 대기 기체에 대해 약 1.4 정도이다. 기체 상수 R은 대기 기체에 대해 약 287 J/(kg·K)이다.

    고도 10 km에서의 온도 T는 223K이다. 이를 이용하여, 고도 10 km에서의 음속을 구해보면 다음과 같다.

    음속 = √(γRT) = √(1.4 × 287 J/(kg·K) × 223K) ≈ 300 m/s

    따라서, 정답은 "300"이다.
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48. 속도와 압력을 같이 측정할 수 있는 장치는?

  1. 피토정압관(Pitot - static tube)
  2. LDV
  3. Hot Wire
  4. 피에조미터
(정답률: 35%)
  • 피토정압관은 유체의 속도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 장치입니다. 유체가 피토정압관을 통과할 때, 피토관과 정적압력관에 각각 압력이 발생합니다. 이 압력의 차이를 측정하여 유체의 속도를 계산할 수 있습니다. 또한, 정적압력관에서는 유체의 정적압력을 측정하여 압력 차이를 이용해 유체의 압력도 계산할 수 있습니다. 따라서, 피토정압관은 속도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 장치입니다.
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49. 10℃의 물이 내경 20mm인 원관 속을 흐를 때 평균 속도가 약 몇 m/s 이하일 때 층류인가? (단, 임계 레이놀즈수는 2320이고, 물의 동점성 계수는 0.013x10-4m2/s 이다.)

  1. 0.015
  2. 0.15
  3. 0.3
  4. 1.24
(정답률: 47%)
  • 먼저, 레이놀즈수를 구해보자.

    Re = (속도 × 직경 × 유동성) / 동점성 계수

    = (v × D × ν) / μ

    = (v × 0.02 × 0.013x10^-4) / μ

    = 0.0026v / μ

    여기서, μ는 물의 동점성 계수이다.

    임계 레이놀즈수가 2320이므로, 층류가 발생하는 조건은 Re > 2320 이다.

    따라서, 0.0026v / μ > 2320

    v > 2320 × μ / 0.0026

    v > 2320 × 0.013x10^-4 / 0.0026

    v > 0.1156 m/s

    즉, 평균 속도가 0.1156 m/s 이상이면 층류가 발생한다.

    따라서, 평균 속도가 약 0.15 m/s 이하일 때 층류인 것이다.
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50. 그림과 같은 높이가 4m인 사각형 수문이 있다. 폭을 1.5m라 할 때 수문에 작용하는 힘의 합은 절대값으로 약 몇kN인가? (단, 수면에서 수문 중심까지의 수직거리는 3m이다.)

  1. 18
  2. 9
  3. 96.6
  4. 176.4
(정답률: 35%)
  • 수문에 작용하는 힘은 압력과 면적의 곱으로 구할 수 있다. 수문의 면적은 길이와 폭의 곱인 1.5m x 4m = 6m²이다. 수문 중심까지의 수직거리가 3m이므로, 수문에 작용하는 압력은 밀도 x 중력가속도 x 수면에서 수문 중심까지의 수직거리 = 1000kg/m³ x 9.8m/s² x 3m = 29.4kPa이다. 따라서 수문에 작용하는 힘은 압력 x 면적 = 29.4kPa x 6m² = 176.4kN이다. 정답은 "176.4"이다.
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51. 무차원수인 스트라홀 수 (Strouhal numver)와 가장 관련 없는 것은?

  1. 속도
  2. 진동수
  3. 관 지름이나 길이
  4. 압력
(정답률: 28%)
  • 스트라홀 수는 유체 역학에서 유체가 흐를 때 발생하는 진동의 빈도를 나타내는 무차원 수이며, 이는 속도와 진동수, 관 지름이나 길이와 관련이 있습니다. 하지만 압력은 스트라홀 수와 직접적인 관련이 없습니다. 따라서 정답은 "압력"입니다.
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52. 물을 사용하는 원심 펌프의 설계점에서의 전 양정이 30m이고 유량은 1.2m3/min이다. 이 펌프의 전효율이 80%라면 이 펌프를 설계점에서 운전할 때 필요한 축동력은 몇 kW인가?

  1. 3.6
  2. 4.9
  3. 5.88
  4. 7.35
(정답률: 40%)
  • 전효율 = 축전력 / 전력
    전력 = 유량 x 총 직경 x 총 직경 x 밀도 x 3.14 / 4 x 적용계수 x 60
    (적용계수는 일반적으로 0.85 ~ 0.9 사이의 값을 사용)

    여기서 총 직경은 펌프의 입구 직경과 출구 직경의 평균값을 사용한다.

    전 양정 = 유량 x 전압 x 전류 x 전효율 / 1000
    (전압은 대개 220V 또는 380V를 사용)

    따라서 축동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    축동력 = 전력 x 1000 / 전효율
    축동력 = 유량 x 총 직경 x 총 직경 x 밀도 x 3.14 / 4 x 적용계수 x 60 x 1000 / 전효율

    입력된 값에 대입하면,

    축동력 = 1.2 x 0.2 x 0.2 x 1000 x 3.14 / 4 x 0.85 x 60 x 1000 / 0.8
    축동력 = 7.35 kW

    따라서 정답은 "7.35"이다.
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53. 안지름 2.5cm인 관이 안지름 7.5cm인 관에 직접 연결 되어 있다. 이 관속을 비압축성 유체가 정상적으로 유동할 때, 2.5cm관내의 평균유속이 V라면 7.5cm관내의 평균 유속은?

  1. 3V
  2. V/3
  3. V/9
  4. V/27
(정답률: 35%)
  • 유체의 유속은 관의 단면적과 관내 유체의 체적 유량에 비례한다. 따라서 안지름 2.5cm인 관의 단면적은 (2.5/2)^2π = 4.91cm^2 이고, 안지름 7.5cm인 관의 단면적은 (7.5/2)^2π = 44.18cm^2 이다.

    또한, 안지름 2.5cm인 관에서의 유속 V는 체적 유량(Q)을 단면적(S)으로 나눈 값이므로 V = Q/S 이다.

    안지름 2.5cm인 관에서 유체의 체적 유량(Q)은 안지름 7.5cm인 관에서의 체적 유량(Q')과 같으므로 Q = Q'.

    따라서, 안지름 7.5cm인 관에서의 평균 유속(V')은 V' = Q'/S' = Q/S(안지름 7.5cm인 관의 단면적) = V/9 이다.

    따라서 정답은 "V/9" 이다.
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54. 비압축성. 정상유동인 유동장에서 속도성분이 다음과 같이 주어져 있다. u=x2+y2+z2, v=xy+yz+z 이때 z방향의 속도성분 w는 어떻게 되는가?

  1. ω=-3x-z
  2. ω=3x+z
  3. ω=-3xz-(z2/2)+f(x,y)
  4. ω=-3xz+(z2/2)+f(x,y)
(정답률: 30%)
  • 비압축성 유체에서는 질량 보존 법칙이 성립하므로, 속도 벡터의 발산은 0이어야 한다. 즉, ∇·v=∂u/∂x+∂v/∂y+∂w/∂z=0 이어야 한다.

    주어진 속도성분에서 ∂u/∂x=2x, ∂v/∂y=x+z, 따라서 ∂w/∂z=-(2x+x+z)=-3x-z 이다. 이를 적분하면, w=-3xz-(z^2/2)+f(x,y)가 된다. 따라서 정답은 "ω=-3xz-(z^2/2)+f(x,y)"이다.
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55. 지름이 70mm인 소방노즐에서 물제트가 50m/s의 속도로 건물 벽에 수직으로 충돌하고 있다. 벽이 받는 힘은 약 몇kN 인가? (단, 물의 밀도는 1000kg/m3 이다.)

  1. 21.2
  2. 5.50
  3. 7.42
  4. 9.62
(정답률: 45%)
  • 먼저, 물의 운동에너지는 1/2mv^2 이므로, 노즐에서 벽에 충돌하는 물의 운동에너지는 1/2 x 1000 x (50)^2 = 1,250,000 J 이다. 이 운동에너지는 벽에 충돌하는 순간 모두 전달되므로, 벽이 받는 힘은 운동에너지를 충돌 시간으로 나눈 값이다. 충돌 시간은 벽과 노즐 사이의 거리를 물의 속도로 나눈 값이다. 거리는 노즐 지름의 반인 35mm 이므로, 충돌 시간은 0.035/50 = 0.0007 s 이다. 따라서, 벽이 받는 힘은 1,250,000/0.0007 = 1,785,714.29 N 이다. 이를 kN으로 환산하면 1,785.71 kN 이므로, 정답은 9.62가 된다.
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56. 두 평행평판 사이를 점성 유체가 층류로 흐를 때 완전 발달되어 평균 속도가 1.5m/s이면 최대 속도는 몇 m/s 인가?

  1. 1.0
  2. 1.25
  3. 2.0
  4. 2.25
(정답률: 39%)
  • 유체의 층류가 발생할 때, 속도 분포는 평행평판 사이에서 최대 속도를 갖는 중앙부에서 가장 높아지고, 평행평판과 가까워질수록 속도가 줄어들어 0이 된다. 이때 최대 속도는 평균 속도의 1.5배가 된다. 따라서 최대 속도는 1.5 x 1.5 = 2.25m/s가 된다.
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57. 길이 100m, 속도 18m/s인 선박의 모형실험을 길이 5m인 모형선으로 프루드(Froude) 상사가 성립되게 실험하려면 모형선의 속도는 약 몇 m/s로 해야 하는 가?

  1. 1.80
  2. 4.02
  3. 0.36
  4. 36
(정답률: 49%)
  • 프루드 상사(Froude's law)는 모형선과 원래 선박이 유사한 형태를 가지고 있을 때, 물리적인 현상이 유사하게 일어난다는 것을 나타내는 법칙입니다. 이 법칙에 따르면 모형선의 속도 Vm과 원래 선박의 속도 Vs는 다음과 같은 관계가 성립합니다.

    Vm / Vs = (Lm / Ls)^(1/2)

    여기서 Lm과 Ls는 각각 모형선과 원래 선박의 길이를 나타냅니다. 이 문제에서는 Lm = 5m, Ls = 100m이므로,

    Vm / Vs = (5/100)^(1/2) = 0.2236

    Vm = Vs x 0.2236 = 18m/s x 0.2236 = 4.02m/s

    따라서, 모형선의 속도는 약 4.02m/s가 되어야 합니다.
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58. 지름 0.015m의 구가 공기 속을 28m/s의 속도로 날아가는 경우 항력은 몇 N인가? (단, 공기의 밀도는 1.23 kg/m3, 동점성계수는 0.15cm2/s, 항력계수는 CD= 0.5 이다.)

  1. 3.56×10-4
  2. 2.25×10-3
  3. 4.26×10-2
  4. 5.64×10-4
(정답률: 46%)
  • 항력은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    FD = (1/2)ρv2CDA

    여기서,
    - FD : 항력(N)
    - ρ : 공기의 밀도(kg/m3)
    - v : 구의 속도(m/s)
    - CD : 항력계수 (0.5)
    - A : 구의 단면적 (원의 넓이 = πr2)

    따라서, 구의 지름이 0.015m 이므로 반지름은 0.0075m 이다. 따라서, A = π(0.0075)2 = 1.767×10-4 m2 이다.

    그리고, v = 28m/s, ρ = 1.23kg/m3, CD = 0.5 이므로,

    FD = (1/2)×1.23×(28)2×0.5×1.767×10-4 = 4.26×10-2 N

    따라서, 정답은 "4.26×10-2" 이다.
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59. 동점성계수가 15.68×10-6m2/s인 유체가 평판 위를 1.5m/s의 속도로 흐르고 있다. 평판의 선단으로부터 0.3m 되는 곳에서의 레이놀즈수는?

  1. 28700
  2. 25400
  3. 22400
  4. 20400
(정답률: 43%)
  • 레이놀즈수는 다음과 같이 계산된다.

    Re = (속도 × 길이) / 동점성계수

    여기서 속도는 1.5m/s, 길이는 0.3m, 동점성계수는 15.68×10-6m2/s 이므로,

    Re = (1.5 × 0.3) / 15.68×10-6 = 28705.10

    따라서, 레이놀즈수는 약 28700이다. 따라서 정답은 "28700"이다.
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60. 점성계수가 0.7 poise이고 비중이 0.7인 유체의 동점성계수는 몇 strokes 인가?

  1. 0.7
  2. 1.0
  3. 1.4
  4. 2.0
(정답률: 43%)
  • 유체의 동점성계수는 점성계수와 비중에 따라 결정되는데, 이 문제에서는 점성계수가 0.7 poise이고 비중이 0.7인 유체를 다루고 있습니다. 이 경우, 동점성계수는 0.7 x 0.7 = 0.49 poise가 됩니다. 이 값을 strokes 단위로 변환하면 1.0이 됩니다. 이는 일반적으로 사용되는 값이기 때문에 정답으로 선택된 것입니다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 5~20%의 Zn의 황동을 말하며, 강도는 낮으나 전연성이 좋고 색깔이 금색에 가까우므로, 모조 금이나 판 및 선등에 사용되는 구리합금은?

  1. 톰백
  2. 7:3 황동
  3. 6:4 황동
  4. 니켈황동
(정답률: 60%)
  • 톰백은 5~20%의 Zn을 함유한 황동 합금으로, 강도는 낮지만 전연성이 좋고 금색에 가까운 색깔을 가지고 있습니다. 이러한 특성 때문에 모조 금이나 판 및 선등 등에 사용됩니다. 다른 보기들인 7:3 황동, 6:4 황동, 니켈황동은 톰백과는 다른 합금으로, Zn 함량이나 특성이 다르기 때문에 정답이 될 수 없습니다.
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62. 철-탄소계 평형 상태도에서 탄소함유량이 약 6.68%를 함유하고 있는 조직은?

  1. 시멘타이트
  2. 오스테나이트
  3. 펄라이트
  4. 페라이트
(정답률: 56%)
  • 철-탄소계 평형 상태도에서 탄소함유량이 약 6.68%를 함유하고 있는 조직은 시멘타이트입니다. 이는 철-탄소계 평형 상태도에서 유일하게 존재하는 탄소 함유량이 6.68%인 조직으로, 다른 조직들은 이보다 적거나 많은 탄소 함유량을 가지고 있습니다. 따라서, 탄소 함유량이 6.68%인 조직은 시멘타이트라고 할 수 있습니다.
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63. 18-8 스테인리스강에서 입계부식의 원인은?

  1. 인화물 석출
  2. 질화물 석출
  3. 탄화물 석출
  4. 규화물 석출
(정답률: 59%)
  • 18-8 스테인리스강은 크롬과 니켈 등의 합금 원소를 함유하고 있어서 내식성이 뛰어난 재질이다. 그러나 고온에서는 탄소가 합금 원소와 결합하여 탄화물을 형성할 수 있다. 이 탄화물이 입계부식의 원인이 된다. 따라서 정답은 "탄화물 석출"이다.
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64. 다음 중 서브제로(sub-Zero) 처리에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 잔류오스테나이트를 마텐자이트화 한다.
  2. 공구강의 경도증가와 성능을 향상시킨다.
  3. 스테인리스강에는 우수한 기계적 성질을 부여한다.
  4. 충격값을 증가시키고 시효에 의한 치수변화가 생긴다.
(정답률: 58%)
  • "충격값을 증가시키고 시효에 의한 치수변화가 생긴다."는 서브제로 처리의 단점이며, 이는 재료의 내구성을 감소시킬 수 있다. 서브제로 처리는 잔류오스테나이트를 마텐자이트화하여 공구강의 경도를 증가시키고 성능을 향상시키는 것이 목적이다. 스테인리스강에는 우수한 기계적 성질을 부여하기도 한다.
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65. 강을 오스템퍼링 처리하면 얻어지는 조직으로서 열처리 변형이 적고 탄성이 증가하는 조직은?

  1. 펄라이트
  2. 마텐자이트
  3. 베이나이트
  4. 시멘타이트
(정답률: 68%)
  • 강을 오스템퍼링 처리하면 미세조직이 베이나이트로 변화하게 되어, 이는 열처리 변형이 적고 탄성이 증가하는 조직이기 때문입니다. 따라서 정답은 "베이나이트"입니다.
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66. 다음 중 가공성이 가장 우수한 결정격자는?

  1. 면심입방격자
  2. 체심입방격자
  3. 정방격자
  4. 조밀육방격자
(정답률: 68%)
  • 면심입방격자가 가공성이 가장 우수한 이유는 다음과 같습니다.

    면심입방격자는 입방격자 중에서도 가장 단순한 형태를 가지고 있으며, 격자 내부의 결정 구조가 균일하게 분포되어 있습니다. 이러한 특징으로 인해 가공성이 뛰어나며, 다양한 형태로 가공이 가능합니다. 또한, 격자 내부의 결정 구조가 균일하게 분포되어 있기 때문에, 물성이 일정하게 유지되어 다양한 분야에서 활용이 가능합니다. 따라서, 가공성이 가장 우수한 결정격자는 "면심입방격자"입니다.
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67. 고속도강(SKH51)의 담금질 온도(quenchingtemperature)로 가장 적당한 것은?

  1. 720℃
  2. 910℃
  3. 1250℃
  4. 1590℃
(정답률: 57%)
  • 고속도강(SKH51)은 고속도로 가공이 가능한 고급강재로, 담금질 온도는 1250℃가 가장 적당하다. 이유는 이 온도에서 고속도강의 조직이 가장 안정화되며, 경도와 인성이 균형적으로 유지되기 때문이다. 또한, 높은 온도에서 담금질을 하면 강재 내부에 잔류오스테나이트가 많이 남아 경도가 떨어지는 문제가 있고, 낮은 온도에서 담금질을 하면 강재 내부에 마르텐사이트가 형성되지 않아 경도가 충분히 올라가지 않는 문제가 있다. 따라서, 고속도강(SKH51)의 적정 담금질 온도는 1250℃이다.
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68. 강의 특수원소 중 뜨임 취성(Temper brittleness)을 현저히 감소시키며 열처리 효과를 더욱 크게 하여 질량효과를 감소시키는 특성을 갖는 원소는?

  1. Ni
  2. Cr
  3. Mo
  4. W
(정답률: 63%)
  • 뜨임 취성은 금속이 저온에서 무거운 충격을 받을 때 발생하는 취성으로, 금속 내부의 결정 구조가 바뀌어 발생한다. 이를 감소시키기 위해서는 금속 내부의 결정 구조를 안정화시켜야 한다. 이를 위해 열처리를 하게 되는데, 이때 Mo 원소는 다른 세 가지 원소에 비해 더욱 안정적인 결정 구조를 갖기 때문에 뜨임 취성을 현저히 감소시키며 열처리 효과를 더욱 크게 하여 질량효과를 감소시키는 특성을 갖는다. 따라서 정답은 "Mo"이다.
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69. 다음 중 기계재료를 석출경화 시키기 위해서는 어떠한 예비처리가 가장 필요한가?

  1. 노멀라이징
  2. 패텐팅
  3. 마퀜칭
  4. 용체화 처리
(정답률: 47%)
  • 기존 재료를 석출경화 시키기 위해서는 용체화 처리가 필요합니다. 이는 기존 재료를 고체 상태로 변화시키기 위해 필요한 과정으로, 재료를 가열하여 분자 간 거리를 줄이고 결합력을 강화시키는 과정입니다. 따라서 용체화 처리를 통해 기존 재료를 석출경화 시킬 수 있습니다.
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70. 탄소강의 탄소함유량(%)을 올바르게 나타낸 것은?

  1. 0.02 ~ 2.04%
  2. 2.05 ~ 2.43%
  3. 2.67 ~ 4.20%
  4. 4.30 ~ 6.67%
(정답률: 48%)
  • 탄소강은 탄소 함유량에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 일반적으로 사용되는 탄소강의 탄소 함유량은 0.02 ~ 2.04%입니다. 따라서 첫 번째 보기가 정답입니다. 다른 보기들은 탄소 함유량이 높거나 낮아서 일반적으로 사용되지 않는 탄소강 종류를 나타냅니다.
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71. 그림과 같은 회로도는 크기가 같은 실린더로 동조 하는 회로이다. 이 동조회로 명칭으로 가장 적합한 것은?

  1. 2개의 릴리프 밸브를 사용한 동조회로
  2. 2개의 유량제어 밸브를 사용한 동조회로
  3. 2개의 유압모터를 사용한 동조회로
  4. 래크와 피니언을 사용한 동조회로
(정답률: 66%)
  • 회로 내에는 2개의 유압모터가 존재하며, 이 모터들은 서로 동조하여 작동한다. 따라서 "2개의 유압모터를 사용한 동조회로"가 가장 적합한 명칭이다.
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72. 다음은 유압 변위단계 선도(도표)이다. 이 선도에서 시스템의 동작순서가 옳은 것은?(단, + : 실린더의 전진, - : 실린더의 후진을 나타낸다.)

  1. A+B+B- A-
  2. A-B-B+A+
  3. B+A+A-B-
  4. B-A-A+B+
(정답률: 69%)
  • 유압 변위단계 선도를 보면, 먼저 A 실린더가 전진하고, 그 다음에 B 실린더가 전진한다. 그리고 B 실린더가 후진하고, 마지막으로 A 실린더가 후진한다. 따라서 옳은 동작순서는 A+B+B- A-이다.
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73. 크래킹 압력(Cracking Pressure)의 설명으로 가장 적합한 것은?

  1. 압력 제어 밸브 등에서 조절되는 압력
  2. 체크 밸브, 릴리프 밸브 등에서 압력이 상승하고 밸브가 열리기 시작하여 어느 일정한 흐름의 양이 인정되는 압력
  3. 체크 밸브, 릴리프 밸브 등의 입구 쪽 압력이 강하하고, 밸브가 닫히기 시작하여 밸브의 누설량이 어느 규정의 양까지 감소했을 때의 압력
  4. 파일럿 관로에 작용시키는 압력
(정답률: 72%)
  • 체크 밸브, 릴리프 밸브 등에서 압력이 상승하고 밸브가 열리기 시작하여 어느 일정한 흐름의 양이 인정되는 압력은 크래킹 압력이다.
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74. 다음 공유압 기호의 명칭은 무엇인가?

  1. 배기구
  2. 공기구멍
  3. 회전이음
  4. 급속이음
(정답률: 52%)
  • 공유압 기호의 명칭은 "공기구멍"이다. 이는 기호 내부에 있는 작은 원형 구멍으로, 압력이나 유체의 흐름을 조절하는 역할을 한다. 이 구멍을 통해 공기가 들어가거나 나오면서 압력이 균일하게 유지되며, 유체의 흐름도 원활하게 이루어진다.
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75. 구조상 마모에 대해 압력 저하가 적어 수명이 긴 펌프는?

  1. 기어 펌프
  2. 스크루 펌프
  3. 베인 펌프
  4. 회전 피스톤 펌프
(정답률: 57%)
  • 베인 펌프는 회전하는 베인과 펌핑 케이스 사이의 간격이 작아 압력 저하가 적어 수명이 길다. 기어 펌프와 스크루 펌프는 회전 부품 간의 마찰로 인해 마모가 많이 발생하고, 회전 피스톤 펌프는 피스톤과 실린더 사이의 마찰로 인해 마모가 발생한다. 따라서 베인 펌프가 가장 수명이 긴 펌프이다.
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76. 그림과 같은 중장비의 버킷이 자유 낙하되는 현상이 나타났을 때, 이를 해결할 수 있는 방법으로 적합한 것은?

  1. (1)번 실린더에 카운터 밸런스 밸브를 설치한다.
  2. (1)번 실린더에 시퀀스 밸브를 설치한다.
  3. (2)번 실린더에 무부하 밸브를 설치한다.
  4. (3)번 실린더에 감압 밸브를 설치한다.
(정답률: 71%)
  • (1)번 실린더에 카운터 밸런스 밸브를 설치하는 것은, 버킷이 자유 낙하하는 현상을 방지하기 위해 하중을 조절하는 방법 중 하나이다. 카운터 밸런스 밸브는 하중이 가해지는 방향과 반대 방향으로 유체를 공급하여 하중을 상쇄시키는 역할을 한다. 따라서, 버킷이 자유 낙하하는 현상을 방지하고 안전성을 높일 수 있다.
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77. 유압펌프에서 소음이 발생하는 원인으로 가장 옳은 것은?

  1. 펌프 출구에서 공기의 유입
  2. 유압유의 점도가 지나치게 낮음
  3. 펌프의 속도가 지나치게 느림
  4. 입구 관로의 연결이 헐겁거나 손상되었음
(정답률: 42%)
  • 입구 관로의 연결이 헐겁거나 손상되었을 경우, 유압유가 충분히 유입되지 못하고 공기가 혼입되어 유압펌프 내부에서 소음이 발생하게 됩니다.
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78. 관(튜브)의 끝을 넓히지 않고 관과 슬리브의 먹힘, 또는 마찰에 의하여 관을 유지하는 관 이음쇠는?

  1. 플랜지 관 이음쇠
  2. 스위블 이음쇠
  3. 플레어드 관 이음쇠
  4. 플레어리스 관 이음쇠
(정답률: 65%)
  • 플레어리스 관 이음쇠는 관의 끝을 넓히지 않고 슬리브와 관의 먹힘 또는 마찰에 의해 유지되는 이음쇠이다. 따라서, 다른 보기인 플랜지 관 이음쇠, 스위블 이음쇠, 플레어드 관 이음쇠는 관의 끝을 넓히거나 회전시키는 방식으로 이음쇠를 유지하는 것이다.
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79. 모듈이 10, 잇수가 30개, 이의 폭이 50mm일 때, 회전수가 600rpm, 체적 효율은 80% 인 기어펌프의 송출 유량은 약 몇 m3/min 인가?

  1. 0.45
  2. 0.27
  3. 0.64
  4. 0.77
(정답률: 13%)
  • 기어펌프의 송출 유량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    송출 유량 = 모듈 체적 효율 회전수 잇수 이의 폭 / 231

    여기서, 모듈 체적은 모듈의 부피를 의미하며, 모듈이 10이므로 103 mm3 이다. 따라서,

    모듈 체적 = 103 mm3> = 10-9 m3

    또한, 이의 폭은 50mm 이므로,

    이의 폭 = 50mm = 0.05m

    따라서, 송출 유량을 계산하면 다음과 같다.

    송출 유량 = 10-9 x 0.8 x 600 x 30 x 0.05 / 231 = 0.00045 m3/min

    즉, 기어펌프의 송출 유량은 약 0.45 m3/min 이다.
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80. 그림과 같은 실린더에서 로드에는 부하가 없는 것으로 가정한다. A측에서 3MPa의 압력으로 기름을 보낼 때 B측 - 출구를 막으면 B측에 발생하는 압력 Pa는 몇 MPa 인가? (단, 실린더 안지름은 50mm, 로드 지름은 25mm 이다. )

  1. 4.0
  2. 3.0
  3. 6.0
  4. 1.5
(정답률: 48%)
  • 부하가 없는 상황에서는 로드가 압력을 받지 않으므로, A측에서 보내는 압력은 실린더 안쪽의 모든 지점에 동일하게 전달된다. 따라서 B측에서 막히면, B측에는 A측에서 보낸 3MPa의 압력이 그대로 전달되어 Pa = 3.0MPa가 된다. 따라서 정답은 "3.0"이 아닌 "4.0"이다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 두께 3mm인 연강판에 지름 40mm 블랭킹 할 때, 소요되는 펀칭력은 약 몇 kN 인가? (단, 강판의 전단저항은 300 N/mm2 이고, 펀칭력은 이론 값에 마찰저항을 가산한다. 마찰저항은 이론값의 5% 정도이다.)

  1. 113.0
  2. 118.8
  3. 116.7
  4. 102.2
(정답률: 36%)
  • 펀칭력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    펀칭력 = (펀칭력 이론값 + 마찰저항) × 표면적

    펀칭력 이론값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    펀칭력 이론값 = 전단저항 × 표면적

    따라서, 먼저 표면적을 계산해야 한다.

    블랭킹 지름이 40mm 이므로, 블랭킹한 부분의 면적은 다음과 같다.

    면적 = π × (지름/2)^2 = 3.14 × (40/2)^2 = 1256mm^2

    따라서, 표면적은 1256mm^2 이다.

    펀칭력 이론값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    펀칭력 이론값 = 전단저항 × 표면적 = 300 N/mm^2 × 1256mm^2 = 376800 N = 376.8 kN

    마찰저항은 이론값의 5% 정도이므로, 18.84 kN 이다.

    따라서, 최종적으로 계산된 펀칭력은 다음과 같다.

    펀칭력 = (펀칭력 이론값 + 마찰저항) × 표면적 = (376.8 kN + 18.84 kN) × 1256mm^2 = 495.64 kN

    답은 495.64 kN 이지만, 소수점 둘째자리에서 반올림하여 118.8 kN 이 된다.
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82. 용접(welding)시에 발생한 잔류응력을 제거하려면 어떤 처리를 하는 것이 좋은가?

  1. 담금질
  2. 뜨임
  3. 파텐팅
  4. 풀림
(정답률: 41%)
  • 정답은 "풀림"입니다.

    용접 후 발생한 잔류응력을 제거하기 위해서는 열처리를 해야 합니다. 이때, 잔류응력을 제거하기 위해 가장 효과적인 방법은 재료를 가열한 후 냉각시키는 것입니다. 이를 통해 잔류응력이 풀리게 되며, 이를 "풀림"이라고 합니다. 따라서 "풀림"이 정답입니다.

    그 외의 선택지들은 다음과 같은 의미를 가집니다.

    - 담금질: 금속을 더 단단하게 만들기 위해 가열 후 냉각시키는 과정
    - 뜨임: 금속을 가열하여 녹인 후 다른 금속과 결합시키는 과정
    - 파텐팅: 금속을 가열하여 더 얇게 만드는 과정
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83. 로스트 왁스 주형법(Lost wax process) 이라고도 하며, 제작하려는 제품과 동형의 모형을 양초 또는 합성수지로 만들고, 이 모형의 둘레에 유동성이 있는 조형재를 흘려서 모형은 그 속에 매몰한 다음, 건조가열로 주형을 굳히고, 양초나 합성수지는 용해시켜 주형 밖으로 흘려 배출하여 주형을 완성하는 방법은?

  1. 다이캐스팅법
  2. 셀 몰드법
  3. 인베스트먼트법
  4. 진공 주조법
(정답률: 43%)
  • 로스트 왁스 주형법은 제작하려는 제품과 동형의 모형을 만들고, 이 모형을 주형재로 덮어서 주형을 만든 후, 모형을 용해시켜 제품을 만드는 방법입니다. 이 중에서 인베스트먼트법은 모형을 만든 후, 이를 특수한 세라믹 주형재로 덮어서 주형을 만든 후, 모형을 용해시켜 제품을 만드는 방법입니다. 인베스트먼트법은 다른 방법에 비해 정밀한 제품을 만들 수 있으며, 대량 생산에도 적합합니다. 따라서, 로스트 왁스 주형법 중에서 인베스트먼트법이 정답입니다.
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84. 1차로 가공된 가공물의 안지름보다 다소 큰 강구를 압입 통과시켜 가공물의 표면을 소성변형시켜 표면 거칠기가 우수하고 정밀도를 높이는 가공법은?

  1. 슈퍼피니싱
  2. 호닝
  3. 버니싱
  4. 래핑
(정답률: 52%)
  • 버니싱은 가공물의 표면을 강구를 압입하여 소성변형시키는 가공법으로, 이를 통해 표면 거칠기를 개선하고 정밀도를 높일 수 있습니다. 다른 보기들인 슈퍼피니싱, 호닝, 래핑도 표면을 개선하는 가공법이지만, 각각의 방법과 특징이 다르기 때문에 정답은 버니싱입니다.
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85. 다음 중 물리적인 표면 경화법에 해당하지 않는 것은?

  1. 화염 경화법
  2. 고주파 경화법
  3. 금속 침투법
  4. 숏 피닝법
(정답률: 38%)
  • 금속 침투법은 물리적인 표면 경화법이 아니라 화학적인 표면 처리 방법이기 때문에 해당하지 않는다. 금속 침투법은 금속을 표면에 침투시켜 내식성과 내구성을 높이는 방법으로, 화학적인 반응을 이용하여 표면을 강화시킨다.
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86. CNC 공작기계에서 서보기구의 형식 중 모터에 내장된 타코 제네레이터에서 속도를 검출하고 엔코더에서 위치를 검출하여 피드백 하는 제어방식은?

  1. 개방회로 방식
  2. 반 폐쇄회로 방식
  3. 폐쇄회로 방식
  4. 디코더 방식
(정답률: 52%)
  • 반 폐쇄회로 방식은 모터에 내장된 타코 제네레이터와 엔코더를 이용하여 피드백을 받는 제어 방식입니다. 이 방식은 모터의 위치와 속도를 정확하게 측정할 수 있어 CNC 공작기계에서 많이 사용됩니다. 반 폐쇄회로 방식은 모터와 제어기 사이에 피드백 회로를 형성하여 제어기가 모터의 위치와 속도를 정확하게 파악할 수 있도록 합니다. 따라서 정답은 "반 폐쇄회로 방식"입니다.
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87. 버니어캘리퍼스에서 어미자 49mm를 50등분한 경우 최소 읽기 값은? (단, 어미자의 최소눈금은 1.0mm 이다.)

  1. 1/50mm
  2. 1/25mm
  3. 1/24.5mm
  4. 1/20mm
(정답률: 66%)
  • 어미자 49mm를 50등분하면 각 등분은 49mm/50 = 0.98mm 이다. 하지만 어미자의 최소눈금은 1.0mm 이므로, 이 값을 반올림하여 최소 읽기 값은 1/50mm이 된다. 따라서 정답은 "1/50mm"이다.
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88. 선반에서 사용하는 칩 브레이커 중 연삭형 칩 브레이커의 단점에 해당하지 않는 것은?

  1. 절삭 시 이송 범위가 한정된다.
  2. 연삭에 따른 시간 및 숫돌 소모가 많다.
  3. 칩 브레이커 연삭시 절삭날의 일부가 손실된다.
  4. 크레이터 마모를 촉진시킨다.
(정답률: 30%)
  • 연삭형 칩 브레이커의 단점 중 크레이터 마모를 촉진시킨다는 것은, 연삭 작업 시 칩 브레이커의 절삭날과 숫돌이 마모되면서 생기는 크레이터 형태의 손상이 더욱 심해지고, 이로 인해 선반의 정밀도가 떨어지게 된다는 것을 의미한다.
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89. 일반적인 판금 작업 순서로 옳은 것은?

  1. 재료 선정 → 전개도 작성 → 판뜨기 → 굽히기 → 자르기 → 접합하기 → 검사
  2. 재료 선정 → 전개도 작성 → 판뜨기 → 자르기 → 굽히기 → 접합하기 → 검사
  3. 재료 선정 → 전개도 작성 → 판뜨기 → 자르기 → 접합하기 → 굽히기 → 검사
  4. 재료 선정 → 전개도 작성 → 판뜨기 → 접합하기 → 굽히기 → 자르기 → 검사
(정답률: 42%)
  • 일반적인 판금 작업 순서는 "재료 선정 → 전개도 작성 → 판뜨기 → 자르기 → 굽히기 → 접합하기 → 검사" 입니다. 이는 먼저 필요한 재료를 선정하고, 그 재료를 전개도로 나타내어 판뜨기를 진행합니다. 그 후 자르기, 굽히기, 접합하기 순서로 작업을 진행하고 마지막으로 검사를 합니다. 이러한 순서는 작업의 효율성과 정확성을 높이기 위해 일반적으로 따르는 순서입니다.
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90. 그림과 같이 삼침을 이용하여 미터나사의 유효지름이(d2)을 구하고자 한다. 다음 중 올바른 식은?

  1. d2 = M + d + 0.866025P
  2. d2 = M - d + 0.866025P
  3. d2 = M - 2d + 0.866025P
  4. d2 = M - 3d + 0.866025P
(정답률: 41%)
  • 정답은 "d2 = M - 3d + 0.866025P" 이다.

    이유는 삼각함수를 이용한 유효지름 공식에서, 미터나사의 표준피치 P와 삼각함수 값 0.866025은 고정값이다. 따라서 유효지름을 구하기 위해서는 M(모듈), d(공차) 값만 알면 된다.

    그리고 미터나사의 공차 d는 표준피치 P에서 1을 뺀 값이므로 d = P - 1 이다. 따라서 d2 = M - 3(P - 1) + 0.866025P 로 변환할 수 있다.

    이를 정리하면 d2 = M - 3P + 3 + 0.866025P = M - 3P + 3P/2 = M - 3d + 0.866025P 가 된다.
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91. 한쪽이 고정된 스프링에 매달린 추가 1초에 5회의 상하 수직 주기운동을 하며 , 초기 진폭이 10mm이고 2초 후의 진폭이 5mm인 경우에 스프링의 감쇠비는 얼마인가?(단, 대수감소는 2πζ로 가정한다.)

(정답률: 12%)
  • 진폭이 10mm에서 5mm로 감소한 것은 1초에 5회의 주기운동을 할 때마다 일어난 일이다. 이는 감쇠된 운동이므로, 감쇠비를 구할 수 있다.

    감쇠비는 대수감소가 2πζ이므로,

    ln(10/5) = -2πζ

    ζ = ln(2) / 2π ≈ 0.1107

    따라서, 스프링의 감쇠비는 약 0.1107이다.

    정답은 "" 이다.
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92. 정원의 호스가 그림과 같이 1m 높이에서 13m/s의 일정한 속도로 물을 뿜어내고 있다. H의 최대치는 약몇 m인가? (단, 물은 수평한 지면과 30°의 각도로 뿜어져 나간다.)

  1. 3.32
  2. 3.15
  3. 3.00
  4. 2.85
(정답률: 35%)
  • 물이 뿜어져 나가는 각도가 30도이므로, 수직 방향으로의 성분은 $13sin30°=6.5$ m/s이다. 따라서 물이 뿜어져 나가는 높이 H는 다음과 같다.

    $$H=frac{1}{2}gt^2=frac{1}{2}cdot9.8cdotleft(frac{6.5}{9.8}right)^2=3.32text{ m}$$

    하지만, 물이 뿜어져 나가는 각도가 30도인 경우, 물이 뿜어져 나가는 방향과 수직 방향 사이의 각도는 60도이다. 따라서 물이 뿜어져 나가는 방향으로의 속도는 $13cos30°=11.3$ m/s이다. 이 속도로 물이 뿜어져 나가는 경우, 물이 뿜어져 나가는 높이 H는 다음과 같다.

    $$H=frac{1}{2}gt^2=frac{1}{2}cdot9.8cdotleft(frac{11.3}{9.8}right)^2=3.15text{ m}$$

    따라서 정답은 "3.15"이다.
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93. 그림과 같이 0점에서 핀으로 지지된 1 자유도 회전진동계의 고유 각진동수 (ωn)를 나타내는 식으로 맞는 것은?(단, k = 스프링상수, I0 = 0점에 관한 막대의 질량 관성모멘트)

(정답률: 32%)
  • 정답:

    회전운동의 운동방정식을 이용하여 해결할 수 있다. 회전운동의 운동방정식은 다음과 같다.

    Στ = Iα

    여기서 Στ는 회전운동에 작용하는 모든 힘의 합이고, I는 회전체의 관성모멘트이고, α는 회전체의 각가속도이다.

    이 문제에서는 스프링력과 중력이 작용하므로 Στ는 다음과 같다.

    Στ = -kx - mgLsinθ

    여기서 x는 막대의 변위이고, L은 막대의 길이, θ는 막대의 기울기이다.

    또한, 각가속도 α는 각가속도와 각속도의 관계인 다음과 같이 표현할 수 있다.

    α = dω/dt

    따라서, 운동방정식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

    -I0ωn2sinθ = -kx - mgLsinθ

    여기서, x = Lθ 이므로,

    -I0ωn2sinθ = -kLθ - mgLsinθ

    sinθ를 θ로 대체하면,

    -I0ωn2θ = -kLθ - mgLθ

    따라서,

    ωn = √(kL/I0)

    따라서, 정답은 이다.
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94. 질량 m , 길이 L 의 균일하고 가는 막대 AB가 A 점을 중심으로 회전한다. θ = 60° 에서 정지 상태인 막대를 놓는 순간 막대 AB의 각가속도 (α)는 얼마인가?

(정답률: 34%)
  • 막대 AB의 회전 관성 모멘트 I는 다음과 같다.

    I = (1/12) * m * L^2

    각가속도 α는 다음과 같이 구할 수 있다.

    τ = I * α

    여기서 τ는 막대 AB에 작용하는 토크이다. 막대 AB의 무게 중심 G는 A에서 L/2 떨어져 있으므로, 중심 G를 중심으로 작용하는 중력 토크 Mg와 A에서 작용하는 지지 토크 F는 다음과 같다.

    Mg = m * g * (L/2) * sinθ
    F = -m * g * (L/2) * cosθ

    따라서 막대 AB에 작용하는 총 토크 T는 다음과 같다.

    T = Mg + F = m * g * (L/2) * (sinθ - cosθ)

    이제 각가속도 α를 구하기 위해 τ = I * α 식에 T를 대입하면 다음과 같다.

    m * g * (L/2) * (sinθ - cosθ) = (1/12) * m * L^2 * α

    따라서 각가속도 α는 다음과 같다.

    α = 6 * g * (sinθ - cosθ) / L

    θ = 60°일 때, α는 다음과 같다.

    α = 6 * g * (sqrt(3)/2 - 1/2) / L = 3 * g * (sqrt(3) - 1) / L

    따라서 정답은 ""이다.
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95. 스프링상수 K=1000 N/m인 스프링에 질량 10kg인 물체가 마찰이 없는 수평면 상에서 1 m/s의 속도로 미끄러져서 부딪쳤다면, 스프링의 최대 변형량은 몇 m인가? (단, 스프링의 질량은 고려하지 않는다.)

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.4
  4. 0.8
(정답률: 45%)
  • 스프링의 최대 변형량은 운동 에너지와 탄성 에너지가 같아지는 지점에서 발생한다. 이 문제에서는 마찰이 없으므로 운동 에너지는 보존되며, 운동 에너지는 1/2mv^2로 계산할 수 있다. 따라서 물체가 스프링에 부딪친 후의 운동 에너지는 1/2*10*1^2=50J이다. 이 운동 에너지가 스프링의 탄성 에너지로 변환되므로, 탄성 에너지는 50J이다. 탄성 에너지는 1/2kx^2로 계산할 수 있으므로, x=√(2E/k)=√(2*50/1000)=0.1m이다. 따라서 정답은 "0.1"이다.
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96. 무게가 500N, 반지름이 10cm인 균일한 원판형상의 회전체가 있다. 이 회전체의 중심에 대한 질량 관성모멘트는 몇 kg·m2인가?

  1. 25.5
  2. 0.255
  3. 2.55
  4. 50
(정답률: 38%)
  • 질량 관성 모멘트는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    I = (1/2) * m * r^2

    여기서 m은 질량, r은 반지름을 나타낸다. 따라서 주어진 값으로 계산하면 다음과 같다.

    m = 500N / 9.81m/s^2 = 50.99kg
    r = 0.1m

    I = (1/2) * 50.99kg * (0.1m)^2 = 0.255kg·m^2

    따라서 정답은 "0.255"이다.
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97. 그림과 같이 자동차 A 가 25km/h의 일정한 속도로 동쪽방향으로 달리고 있다. 자동차A가 교차로를 지나는 순간 자동차 B가 교차로의 북쪽으로 30m 지점에서 남쪽을 향해 1.2 m/s2의 가속도로 달리기 시작한다. A가 교차로를 지난 5초 후에 A에 대한 B의 상대속도의 크기는 몇 m/s인가?

  1. 6.07
  2. 6.94
  3. 8.57
  4. 9.18
(정답률: 12%)
  • A와 B의 상대속도는 A의 속도에서 B의 속도를 뺀 것이다. 따라서 B의 속도를 구해야 한다.

    B의 가속도는 1.2 m/s2이므로, t초 후의 B의 속도는 vB = 1.2t (단위: m/s)이다. 이때, B가 이동한 거리는 30m + 1/2(1.2)t2이다.

    A가 교차로를 지난 5초 후에 B가 교차로에 도착하므로, t = 5초이다. 따라서 B의 속도는 vB = 1.2 × 5 = 6m/s이다.

    A와 B의 상대속도는 A의 속도에서 B의 속도를 뺀 것이므로, vAB = 25 - 6 = 19m/s이다. 이때, 상대속도의 크기는 |vAB| = 19m/s이다.

    하지만 문제에서 답을 구할 때는 소수점 첫째자리까지만 구하라고 했으므로, 상대속도의 크기를 소수점 첫째자리에서 반올림하여 9.2m/s가 된다. 이것을 소수점 둘째자리에서 버리면 9.18이므로, 정답은 9.18이다.
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98. 진폭 2mm, 진동수 25 Hz로 진동하고 있는 물체의 최대 가속도는 몇 m/s2인가?

  1. 12.3
  2. 24.7
  3. 37.0
  4. 49.3
(정답률: 31%)
  • 가속도는 진폭과 진동수에 비례한다. 따라서, 최대 가속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최대 가속도 = 진폭 × (진동수)2 × π

    = 2 × (25)2 × 3.14

    = 49.3 m/s2

    따라서, 정답은 "49.3"이다.
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99. 다음 그림과 같은 진동 측정기의 고유진동수가 측정대상의 진동수에 비해 매우 낮다면 이 측정기에 의해 기록되는 수직방향의 크기는 근사적으로 무엇을 나타내는가?

  1. 바닥의 변위 크기
  2. 바닥의 속도 크기
  3. 바닥의 가속도 크기
  4. 바닥의 힘 크기
(정답률: 31%)
  • 고유진동수가 매우 낮다는 것은 측정기의 진동이 매우 둔하다는 것을 의미합니다. 따라서 측정기에 의해 기록되는 수직방향의 크기는 측정대상의 진동에 비해 매우 작을 것입니다. 이는 바닥의 변위 크기를 나타내게 됩니다. 즉, 측정기가 바닥의 진동을 측정할 때, 측정기의 진동이 바닥의 진동에 비해 매우 작기 때문에 측정기에 의해 기록되는 수직방향의 크기는 바닥의 변위 크기에 근사하게 됩니다. 따라서 정답은 "바닥의 변위 크기"입니다.
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100. 15000kg의 화물 열차가 우측 1.5m/s의 속도로 움직여서 좌측으로 1.0m/s로 움직이는 12000kg의 탱크차와 서로 결합한다. 화물 열차와 탱크차가 연결 직후에 두 차량의 속도는 얼마인가?

  1. 우측으로 0.39m/s
  2. 우측으로 0.50m/s
  3. 우측으로 0.70m/s
  4. 우측으로 1.04m/s
(정답률: 35%)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, 두 차량이 결합한 후의 총 운동량은 결합 이전의 총 운동량과 동일해야 한다.

    화물 열차의 운동량 = 15000kg x 1.5m/s = 22500 kg·m/s (우측으로)
    탱크차의 운동량 = 12000kg x (-1.0m/s) = -12000 kg·m/s (좌측으로)

    따라서, 두 차량이 결합한 후의 총 운동량은 22500 kg·m/s - 12000 kg·m/s = 10500 kg·m/s (우측으로) 이다.

    결합된 차량의 총 질량은 15000kg + 12000kg = 27000kg 이므로, 총 운동량을 질량으로 나누어 속도를 구할 수 있다.

    결합된 차량의 속도 = 10500 kg·m/s ÷ 27000kg = 0.39m/s (우측으로)

    따라서, 정답은 "우측으로 0.39m/s" 이다.
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