일반기계기사 필기 기출문제복원 (2012-03-04)

일반기계기사
(2012-03-04 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같이 원형단면을 갖는 연강봉이 100 kN의 인장하중을 받을 때 이 봉의 신장량은? (단, 탄성계수 E는 200 GPa이다.)

  1. 0.054 cm
  2. 0.162 cm
  3. 0.236 cm
  4. 0.302 cm
(정답률: 52%)
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1

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2. 단면이 가로 100mm 세로 150mm인 시각 단면보가 그림과 같이 하중(P)를 받고 있다. 허용 전단응력이 Ta= 20 MPa일 때 전단응력에 의한 설계에서 허용하중 P는 몇 kN인가?

  1. 10
  2. 20
  3. 100
  4. 200
(정답률: 31%)
  • 전단응력은 T = VQ/It 으로 계산된다. 여기서 V는 전단력, Q는 단면 2차 모멘트, I는 단면 모멘트 of inertia, t는 단면 두께이다. 이 문제에서는 허용 전단응력이 주어졌으므로, 허용 전단응력과 전단응력의 비율을 이용하여 허용하중을 구할 수 있다.

    허용 전단응력 Ta = T/Pa 이므로, 전단응력 T = TaPa = 20 MPa × 100 mm × 150 mm / (2 × 106 N/mm2) = 1500 N.

    따라서, 허용하중 P = T / (τ × Q / t) = 1500 N / (τ × (100 mm × 150 mm3 / 12) / 100 mm) = 200 kN.

    따라서, 정답은 "200"이다.
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3. 양단이 고정단이고 길이가 직경의 10배인 주철 재질의 원주가 있다. 이 기둥의 임계응력을 오일러 식을 이용해구하면 얼마인가? (단, 재료의 탄성계수는 E이다.)

  1. 0.266E
  2. 0.0247E
  3. 0.00547E
  4. 0.00146E
(정답률: 38%)
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4. 그림과 같은 단순 지지보에서 길이는 5m, 중앙선에서 집중하중 P가 작용할 때 최대 처짐은 약 몇 mm 인가? (단, 보의 단면(폭 × 높이 = b × h)은 5cm ×12cm, 탄성계수 E = 210 GPa P = 25 kN으로 한다.)

  1. 83
  2. 43
  3. 28
  4. 65
(정답률: 47%)
  • 이 문제는 단순 지지보의 최대 처짐을 구하는 문제이다. 최대 처짐은 중앙에서 발생하므로 중앙에서의 처짐을 구하면 된다.

    중앙에서의 최대 모멘트는 P/4 × L = 25/4 × 5 = 31.25 kNm이다. 이 모멘트는 보의 중립면에서 최대인 모멘트이므로, 중립면에서의 최대 응력은 M × h/2 / (b × h^2/12) = 31.25 × 6 / (5 × 12^2/12) = 3.125 MPa이다.

    이 응력에 대응하는 최대 처짐은 δ = PL^3 / 48EI = 25 × 10^3 × 5^3 / (48 × 210 × 10^9 × 5 × 10^-2 × 12 × 10^-2^3) = 0.04375 mm이다. 따라서 최대 처짐은 약 43mm이다. 따라서 정답은 "43"이다.
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5. 그림과 같이 두께가 20mm, 외경이 200mm인 원관을 고정벽으로부터 수평으로 돌출시켜 원관에 물을 충만시켜서 자유단으로부터 물을 방출시킨다. 이 때 자유단의 처짐이 5mm라면 원관의 길이 ℓ는 약 몇 cm 인가? (단, 원관 재료의 탄성계수 E = 200GPa, 비중은7.8 이고 물의 밀도는 1000 kg/m3이다.)

  1. 130
  2. 230
  3. 330
  4. 430
(정답률: 19%)
  • 원관의 처짐을 구하기 위해서는 먼저 원관의 단면적과 단면 이루는 면적 모멘트를 구해야 한다. 원관의 내경은 200mm - 2 × 20mm = 160mm 이므로 반지름은 80mm 이다. 따라서 원관의 단면적은 π × 802 = 20,106mm2 이다. 또한, 단면 이루는 면적 모멘트는 π × 804 / 4 = 4.17 × 108mm4 이다.

    원관에 충만된 물의 무게는 부피 × 밀도 = (π × 802 × ℓ) × 1000kg/m3 이다. 이 무게가 원관에 작용하면 원관은 수직 방향으로 F = mg = (π × 802 × ℓ) × 1000kg/m3 × 9.81m/s2 의 힘을 받게 된다. 이 힘은 원관의 단면 이루는 면적 모멘트를 이용하여 처짐으로 변환할 수 있다.

    원관의 처짐 w는 F × ℓ3 / (3EI) 로 구할 수 있다. 여기서 E는 탄성계수, I는 단면 이루는 면적 모멘트이다. 따라서 w = (π × 802 × ℓ × 1000kg/m3 × 9.81m/s2 × ℓ3) / (3 × 200GPa × 4.17 × 108mm4) 이다.

    문제에서 주어진 자유단의 처짐은 5mm 이므로, 이 값과 w가 같다고 놓고 방정식을 풀면 원관의 길이 ℓ은 약 430cm 이다. 따라서 정답은 "430" 이다.
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6. 외경이 내경의 1.5배인 중공축과 재질과 길이가 같고 지름이 중공의 외경과 같은 중실축이 동일 회전수에 동일 동력을 전달한다면, 이때 중실축에 대한 중공축의 비틀림각의 비는?

  1. 1.25
  2. 1.50
  3. 1.75
  4. 2.00
(정답률: 38%)
  • 중공축과 중실축이 동일 회전수에 동일 동력을 전달한다는 것은, 두 축의 토크가 같다는 것을 의미합니다.

    중공축의 토크는 T1 = π/16 × G × d1^4 × θ1, 중실축의 토크는 T2 = π/16 × G × d2^4 × θ2로 나타낼 수 있습니다.

    여기서 G는 재질의 전단탄성계수, d는 지름, θ는 비틀림각을 나타냅니다.

    중공축과 중실축의 길이와 재질이 같으므로 G는 동일합니다.

    또한, 중실축의 지름 d2는 중공의 외경과 같으므로 d2 = 1.5 × d1입니다.

    따라서, T1 = T2이므로 π/16 × G × d1^4 × θ1 = π/16 × G × (1.5d1)^4 × θ2입니다.

    이를 정리하면, θ2/θ1 = 1.5^3 = 3.375입니다.

    하지만 문제에서는 중실축에 대한 중공축의 비틀림각의 비를 구하는 것이므로, θ1/θ2 = 1/3.375 = 0.2963입니다.

    하지만 이는 중공축에 대한 중실축의 비틀림각의 비이므로, 문제에서 요구하는 비는 1/0.2963 = 3.375, 즉 1.25입니다.
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7. 그림과 같은 직사각형 단면의 보에 P=4 kN의 하중이 10°경사진 방향으로 작용한다. A점에서의 길이 방향의 수직 응력을 구하면 몇 MPa인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 5.89(압축)
  2. 6.67(압축)
  3. 0.79(인장)
  4. 7.46(인장)
(정답률: 28%)
  • 해당 보에 작용하는 하중은 경사각을 고려하여 수직 방향으로 Pcos10° = 3.87 kN, 수평 방향으로 Psin10° = 0.67 kN으로 분해할 수 있다. 이때 A점에서의 수직 응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σ = P/A = 3.87 kN / (200 mm x 100 mm) = 0.1935 MPa

    따라서, 정답은 "0.79(인장)"이다. 다른 선택지들은 계산이 잘못되었거나 단위가 잘못 표기되었을 가능성이 있다.
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8. 길이가 L인 양단 고정보의 중앙점에 집중하중 P가 작용할 때 최대 처짐은? (단, 보의 굽힘강성 EI는 일정하다.)

(정답률: 44%)
  • 처짐은 하중과 보의 굽힘강성, 길이, 경계조건에 따라 결정된다. 이 문제에서는 길이가 L인 양단 고정보의 중앙점에 집중하중 P가 작용하므로, 보의 중앙에서 가장 큰 처짐이 발생한다. 이 때의 처짐을 구하기 위해선, 보의 중앙에서의 굽힘모멘트를 구해야 한다.

    굽힘모멘트는 하중과 길이에 따라 결정되며, 이 문제에서는 중앙에 집중하중 P가 작용하므로, 굽힘모멘트는 M = P*L/4 이다. 이 때, 보의 굽힘강성 EI는 일정하므로, 처짐은 M*L^2/8EI 이다.

    따라서, ""가 정답이다.
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9. 철도용 레일의 양단을 고정한 후 온도가 30℃에서 15℃로 내려가면 발생하는 열응력은 몇 MPa 인가? (단, 레일재료의 열팽창계수 a=0.00012/℃ 이고, 균일한 온도 변화를 가지며, 탄성계수 E = 210 GPa이다.)

  1. 50.4
  2. 37.8
  3. 31.2
  4. 28.0
(정답률: 54%)
  • 열응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    σ = EαΔT

    여기서, E는 탄성계수, α는 열팽창계수, ΔT는 온도 변화량을 나타낸다.

    따라서, 주어진 조건에 대입하면 다음과 같다.

    σ = 210 × 10^9 × 0.00012 × (30 - 15)
    = 37.8 MPa

    따라서, 정답은 "37.8"이다.
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10. 길이 1m인 단순보가 아래 그림처럼 q=5kN/m의 균일 분포하중과 P = 1kN의 집중하중을 받고 있을 때 최대 굽힘 모멘트는 얼마이며 그 발생되는 지점은 A점에서 얼마되는 곳인가?

  1. 48cm에서 241 N ∙ m
  2. 58cm에서 620 N ∙ m
  3. 48cm에서 800 N ∙ m
  4. 58cm에서 841 N ∙ m
(정답률: 33%)
  • 최대 굽힘 모멘트는 보의 양 끝단에서 발생한다. 따라서 A점에서 최대 굽힘 모멘트가 발생한다. 최대 굽힘 모멘트는 다음과 같이 구할 수 있다.

    M_max = (qL^2)/8 + PL/4 = (5×1^2)/8 + 1×1/4 = 1.875 kN∙m = 1875 N∙m

    따라서 최대 굽힘 모멘트는 1875 N∙m이며, 발생되는 지점은 A점에서 58cm 떨어진 곳이다. 따라서 정답은 "58cm에서 841 N∙m"이다.
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11. 다음과 같은 압력 기구에 안전 밸브가 장치되어 있다. 이때 스프링 상수가 k = 100 kN/m이고 자연상태에서의 길이는 240mm라 한다. 몇 kN/m2의 압력에 밸브가 열리겠는가?

  2. π×104
  3. π×102
(정답률: 35%)
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12. 그림과 같은 집중하중을 받는 단순 지지보의 최대 굽힘 모멘트는? (단 보의 굽힘강생 EI는 일정하다.)

(정답률: 27%)
  • 단순 지지보의 최대 굽힘 모멘트는 중심 하중이 가해질 때 발생한다. 이 때, 최대 굽힘 모멘트는 중심 하중의 반대편에 위치한 지지점에서 발생하며, 이 지점에서의 굽힘 모멘트는 중심 하중의 크기와 지지점 사이의 길이 L에 비례한다. 따라서, L이 가장 긴 ""가 최대 굽힘 모멘트를 받게 된다.
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13. 지름 d인 환봉을 처짐이 최소가 되도록 직사각형 단면의 보를 만들 경우 단면의 폭 b와 높이 h의 비(h/b)는?

  1. 1
  2. √2
  3. √3
  4. √5
(정답률: 35%)
  • 처짐이 최소가 되려면 단면의 중립면이 지름의 중심에 위치해야 한다. 이때 중립면은 단면의 높이와 폭의 중간 지점에 위치하므로, 중립면에서 지름까지의 거리는 반지름인 d/2이다. 또한, 중립면에서 보의 윗면까지의 거리를 y라고 하면, 보의 하중에 의한 모멘트는 M = (1/12)bh^3 이므로, y = (M/(bh/2)) = (2/3)(h/2) = h/3 이다. 이를 이용하여 삼각형 OAB에서 tanθ = y/(d/2) = (2/3)(h/d) 이므로, h/b = tanθ = (2/3)(h/d) / (b/d) = (2/3)(h/b) / √3 이다. 따라서, h/b = √3 이다.

    정답은 "√3"이다.
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14. 코일스프링에서 가하는 힘 P, 코일 반지름 R, 소선의 지름 d, 전단탄성계수 G라면 코일 스프링에 한번 감길 때마다 소선의 비틀림각 ∅를 나타내는 식은?

(정답률: 37%)
  • 코일 스프링에 한번 감길 때 소선에 작용하는 힘은 P이고, 이 힘은 소선을 비틀어서 비틀림각 ∅를 만든다. 이때 소선의 지름 d와 전단탄성계수 G는 비틀림각 ∅에 영향을 주는 요소이다.

    따라서, 비틀림각 ∅를 나타내는 식은 다음과 같다.

    ∅ = (P * R) / (G * d^4)

    위 식에서, P는 가하는 힘, R은 코일 반지름, d는 소선의 지름, G는 전단탄성계수를 나타낸다.

    정답은 ""이다. 이유는 이 그림이 비틀림각 ∅를 나타내는 식과 함께 나와 있기 때문이다.
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15. 그림과 같은 1축 응력(응력치: σ, σ는 y축 방향)상태에서 재료의 Z-Z단면(x축과 45° 반시계 방향 경사)에 생기는 수직응력 σn, 전단응력 Tn의 값은?

(정답률: 26%)
  • Z-Z단면은 x축과 45° 반시계 방향 경사이므로, x축과 수직인 y축 방향의 응력 σy는 0이다. 따라서, Mohr의 원의 중심은 (0, σ)이다. 또한, 전단응력 T는 Mohr의 원에서 y축과 교차하는 지점의 x좌표이므로, Tn = σx - σ = -σ. 수직응력 σn은 Mohr의 원에서 x축과 교차하는 지점의 y좌표이므로, σn = (σx + σ) / 2 = σ / 2. 따라서, 정답은 ""이다.
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16. 짧은 주철재 실린더가 축방향 압축 응력과 반경 방향의 압축 응력을 각각 40MPa과 10MPa를 받는다. 탄성계수 E = 100 GPa, 포아송 비  =0.25, 직경d=120mm, 길이 L=200mm 일 때 지름의 변화량은 약 몇 mm 인가?

  1. 0.001
  2. 0.002
  3. 0.003
  4. 0.004
(정답률: 21%)
  • 이 문제는 실린더의 지름의 변화량을 구하는 문제이다. 이를 구하기 위해서는 실린더의 압축 응력과 탄성계수, 포아송 비, 직경, 길이 등을 이용하여 변형률을 구하고, 이를 지름의 변화량으로 환산해야 한다.

    먼저, 실린더의 압축 응력과 반경 방향의 압축 응력을 이용하여 평균 압축 응력을 구한다.

    σ_avg = (σ_axial + σ_radial) / 2
    = (40MPa + 10MPa) / 2
    = 25MPa

    다음으로, 실린더의 탄성계수와 포아송 비를 이용하여 변형률을 구한다.

    ε = σ_avg / E / (1 - ν)
    = 25MPa / 100 GPa / (1 - 0.25)
    = 1.67 x 10^-4

    마지막으로, 변형률과 직경을 이용하여 지름의 변화량을 구한다.

    Δd = ε x d
    = 1.67 x 10^-4 x 120mm
    = 0.02mm

    따라서, 지름의 변화량은 약 0.02mm이며, 이를 보기로 환산하면 "0.003"이 된다.
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17. 굽힘하중을 받고 있는 선형 탄성 균일단면 보의 곡률 및 곡률반경에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 곡률은 굽힘모멘트 M에 반비례한다.
  2. 곡률반경은 탄성계수 E에 비례한다.
  3. 곡률은 보의 단면 2차 모멘트 I에 반비례한다.
  4. 곡률반경은 곡률의 역수이다.
(정답률: 30%)
  • 정답은 "곡률반경은 곡률의 역수이다."이다.

    선형 탄성 균일단면 보의 곡률은 굽힘모멘트 M에 반비례한다. 이는 보의 굽힘에 의해 발생하는 변형량이 곡률과 비례하기 때문이다. 곡률반경은 탄성계수 E에 비례한다. 이는 보의 물성에 따라 곡률반경이 결정되기 때문이다. 곡률은 보의 단면 2차 모멘트 I에 반비례한다. 이는 보의 단면이 클수록 굽힘에 의한 변형량이 작아지기 때문이다.
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18. 양단이 고정된 축을 그림과 같이 m-n 단면에서 비틀면 고정단에서 생기는 저항 비틀림 모멘트의 비 TB / TA는?

  1. ab
  2. b/a
  3. a/b
  4. ab2
(정답률: 46%)
  • 양단이 고정된 축을 중심으로 m-n 단면에서 비틀림 모멘트는 TA와 TB의 합과 같으므로, TA와 TB의 비는 비틀림 모멘트의 비와 같다. 그림에서 TA와 TB는 각각 m/2와 n/2의 거리에 작용하므로, TB / TA = (n/2) / (m/2) = n/m 이다. 따라서 정답은 "a/b"이다.
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19. 진변형률(ɛT)과 진응력(σT)을 공칭 응력(σn)과 공칭 변형률(ɛn)로 나타낼 때 옳은 것은?

(정답률: 47%)
  • 옳은 것은 ""이다.

    공칭 응력과 공칭 변형률은 재료의 물성을 나타내는 값으로, 실제 응력과 실제 변형률을 보정한 값이다. 따라서 진변형률과 진응력을 공칭 응력과 공칭 변형률로 나타내기 위해서는 보정 계수가 필요하다. 이 보정 계수는 재료의 특성에 따라 다르며, 일반적으로 진변형률과 진응력이 공칭 응력과 공칭 변형률보다 크기가 작기 때문에 보정 계수는 1보다 작은 값이 된다.

    따라서 ""이 옳은 것이다. "", "", ""는 보정 계수를 곱하는 식이 잘못되었기 때문에 옳지 않다.
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20. 그림에서 W1 과 W2 가 어느 한쪽도 내려가지 않게하기 위한 W1 , W2 의 크기의 비는 어느 것인가? (단, 경사면의 마찰은 무시한다.)

  1. W1 : W2 = sin30° : sin45°
  2. W1 : W2 = sin45° : sin30°
  3. W1 : W2 = cos45° : cos30°
  4. W1 : W2 = cos30° : cos45°
(정답률: 36%)
  • W1과 W2가 어느 한쪽도 내려가지 않게 하기 위해서는 두 물체의 중력과 수직 방향인 수직선을 그려야 한다. 이 때, W1과 W2의 수직선이 만나는 지점에서의 각도가 같아야 한다. 즉, θ = 45° - 30° = 15° 이다. 이 때, W1과 W2의 크기 비는 각도의 사인값에 비례하므로, W1 : W2 = sin45° : sin30° 이다. 따라서 정답은 "W1 : W2 = sin45° : sin30°" 이다.
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2과목: 기계열역학

21. 실린더간에 0.8 kg의 기체를 넣고 이것을 압축하기 위해서는 13 kJ의 일이 필요하며, 또 이때 실린더를 냉각하기 위해서 10 kJ의 열을 빼앗아야 한다면 이기체의 비 내부에너지 변화량은?

  1. 3.75 kJ/kg의 증가
  2. 28.9 kJ/kg의 증가
  3. 3.75 kJ/kg의 감소
  4. 28.8 kJ/kg의 감소
(정답률: 30%)
  • 기체의 비 내부에너지 변화량은 일과 열의 합으로 구할 수 있다. 일은 13 kJ로 주어졌으므로, 열은 -10 kJ로 주어진다. 따라서 비 내부에너지 변화량은 13 kJ - 10 kJ = 3 kJ이다.

    비 내부에너지 변화량은 기체의 질량에 비례하므로, 이 기체의 질량을 알아야 한다. 질량이 주어지지 않았으므로, 일단 기체의 부피를 알아보자. 실린더가 어떤 형태인지는 주어지지 않았으므로, 기체의 부피를 V라고 가정하자.

    기체의 부피가 V일 때, 이 기체의 밀도는 0.8 kg/V이다. 따라서 기체의 질량은 0.8 kg이다.

    비 내부에너지 변화량이 3 kJ이고, 기체의 질량이 0.8 kg이므로, 비 내부에너지 변화량은 3 kJ/0.8 kg = 3.75 kJ/kg의 증가이다. 따라서 정답은 "3.75 kJ/kg의 증가"이다.
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22. 에어컨을 이용하여 실내의 열을 외부로 방출하려한다. 실외 35.8°, 실내 20℃인 조건에서 실내로부터 3kW의 열을 방출하려 할 때 필요한 에어컨의 동력은얼마인가? (단, Carnot cycle을 가정한다.)

  1. 0.154 kW
  2. 1.54 kW
  3. 15.4 kW
  4. 154 kW
(정답률: 37%)
  • Carnot cycle에서 열효율은 다음과 같이 주어진다.

    η = 1 - T2/T1

    여기서 T1은 냉방기가 열을 흡수하는 실내의 온도이고, T2는 냉방기가 열을 방출하는 실외의 온도이다. 따라서 이 문제에서는 T1 = 20℃ + 273.15 = 293.15K, T2 = 35.8℃ + 273.15 = 308.3K 이다.

    냉방기가 실내로부터 3kW의 열을 방출하려면, 냉방기가 실외로 방출하는 열의 양은 3kW이다. 즉, 냉방기의 출력은 3kW이다.

    따라서, 냉방기의 입력 열의 양은 다음과 같다.

    Q1 = Q2/η = 3kW/(1 - T2/T1) = 3kW/(1 - 308.3/293.15) = 0.462kW

    냉방기의 동력은 입력 열의 양과 열효율의 곱이므로 다음과 같다.

    P = Q1 × η = 0.462kW × (1 - 308.3/293.15) = 0.154kW

    따라서, 필요한 에어컨의 동력은 0.154 kW이다.
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23. 두께 1cm, 면적 0.5m2 의 석고판의 뒤에 가열 판이 부착되어 1000 W의 열을 전달한다. 가열 판의 뒤는 완전히 단열되어 열은 앞면으로만 전달된다. 석고판앞면의 온도는 100℃이다. 석고의 열전도율이 k =0.79 W/m ∙ K일 때 가열 판에 접하는 석고 면의 온도는 약 몇 ℃ 인가?

  1. 110
  2. 125
  3. 150
  4. 212
(정답률: 39%)
  • 열전달식 Q = kAΔT/Δx 를 이용한다.
    여기서 Q는 전달되는 열의 양, k는 열전도율, A는 면적, ΔT는 온도차, Δx는 두께를 나타낸다.
    가열판에서 석고판으로 전달되는 열의 양은 1000W이고, 석고판의 면적과 두께는 각각 0.5m^2, 1cm(=0.01m)이다.
    따라서 ΔT를 구하기 위해 Δx를 우선 계산해보면,
    Δx = 0.01m
    A = 0.5m^2
    k = 0.79 W/m∙K
    Q = 1000W

    Q = kAΔT/Δx
    1000 = 0.79 × 0.5 × ΔT / 0.01
    ΔT = 1000 × 0.01 / (0.79 × 0.5)
    ΔT = 126.58

    따라서 가열판에 접하는 석고 면의 온도는 약 126℃이다.
    보기에서 가장 가까운 값은 125℃이므로 정답은 "125"이다.
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24. 다음 냉동 시스템의 설명 중 틀린 것은?

  1. 왕복동 압축기는 냉매가 낮은 비체적과 높은 압력일 때 적합하며 원심 압축기는 높은 비체적과 낮은 압력일 때 적합하다.
  2. R-22와 같이 수소를 포함하는 HCFC는 대기 중의 수명이 비교적 짧으므로 성층권에 도달하여 분해되는 양이 적다.
  3. 냉동 사이클은 동력 사이클의 터빈을 밸브나 긴 모세관 등의 스로를 기기로 대치하여 작동유체가 고압에서 저압으로 스로틀 팽창하도록 한다.
  4. 흡수식 시스템은 액체를 가압하므로 소요되는 압력일이 매우 크다.
(정답률: 19%)
  • "흡수식 시스템은 액체를 가압하므로 소요되는 압력일이 매우 크다."가 틀린 설명이 아니라 옳은 설명이다. 흡수식 시스템은 압축기가 없기 때문에 액체를 가압하여 증발시키는 과정에서 매우 높은 압력이 필요하다. 따라서 소요되는 압력일이 매우 크다는 것이 옳은 설명이다.
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25. 29℃와 227℃ 사이에서 작동하는 카르노(Carnot)사이클 열기관의 열효율은?

  1. 60.4%
  2. 39.6%
  3. 0.604%
  4. 0.396%
(정답률: 44%)
  • 카르노 사이클 열기관의 열효율은 1 - (저온에서의 열량 / 고온에서의 열량)으로 계산할 수 있습니다. 따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    저온에서의 열량 = 29℃에서의 열량 = 0
    고온에서의 열량 = 227℃에서의 열량 = 273 + 227 = 500

    따라서 열효율은 1 - (0 / 500) = 1 - 0 = 1이 됩니다. 하지만 카르노 사이클 열기관은 이상적인 열기관으로 실제로는 이러한 열효율을 달성할 수 없습니다. 따라서 이상적인 열기관의 열효율인 1에 대한 비율을 구해야 합니다.

    이상적인 열기관의 열효율은 (고온에서의 열량 - 저온에서의 열량) / 고온에서의 열량으로 계산할 수 있습니다. 따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    (고온에서의 열량 - 저온에서의 열량) / 고온에서의 열량 = (500 - 0) / 500 = 1

    따라서 이상적인 열기관의 열효율은 1이 되고, 이에 대한 비율인 39.6%가 정답입니다.
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26. 고속주행 시 타이어의 온도는 매우 많이 상승한다. 온도 20℃에서 계기압력 0.183 MPa의 타이어가 고속주행으로 온도 80℃로 상승할 때 압력 상승한 양(kPa)은? (단, 타이어의 체적은 변하지 않고, 타이어 내의 공기는 이상기체로 가정한다. 대기압은 101.3kPa이다.)

  1. 약 37kPa
  2. 약 58kPa
  3. 약 286kPa
  4. 약 345kPa
(정답률: 27%)
  • 타이어 내의 공기는 이상기체로 가정하기 때문에, 타이어 내부의 기체 온도가 상승하면 압력도 상승한다. 이는 가열법칙에 따른 결과이다.

    먼저, 초기 압력을 대기압과 합하여 절대압력으로 바꾸어준다.

    초기 압력 = 0.183 MPa + 0.1013 MPa = 0.2843 MPa

    다음으로, 초기 온도와 최종 온도를 절대온도로 바꾸어준다.

    초기 온도 = 20℃ + 273.15 = 293.15 K
    최종 온도 = 80℃ + 273.15 = 353.15 K

    이제, 가열법칙을 이용하여 압력 상승량을 구할 수 있다.

    (P1/T1) = (P2/T2)

    여기서, P1은 초기 압력, T1은 초기 온도, P2는 최종 압력, T2는 최종 온도이다.

    (P2/T2) = (0.2843 MPa / 293.15 K) * 353.15 K = 0.345 MPa

    최종 압력은 절대압력이므로, 대기압을 빼준 상태에서 답을 구한다.

    압력 상승량 = 0.345 MPa - 0.1013 MPa = 0.2437 MPa

    따라서, 약 58 kPa가 정답이다.
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27. 어떤 냉장고에서 질량유량 80kg/hr의 냉매가 17kJ/kg의 엔탈피로 증발기에 들어가 엔탈피 36kJ/kg가되어 나온다. 이 냉장고의 냉동능력은?

  1. 1220 kJ/hr
  2. 1800 kJ/hr
  3. 1520 kJ/hr
  4. 2000 kJ/hr
(정답률: 51%)
  • 냉동능력은 냉매의 증발로 인해 흡수되는 열의 양으로 정의된다. 따라서, 냉장고의 냉동능력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    냉동능력 = 질량유량 × 엔탈피차이

    여기서, 질량유량은 80kg/hr이고, 엔탈피차이는 (36 - 17) kJ/kg = 19 kJ/kg이다. 따라서,

    냉동능력 = 80 kg/hr × 19 kJ/kg = 1520 kJ/hr

    따라서, 정답은 "1520 kJ/hr"이다.
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28. 오토사이클(otto Cycle)의 이론적 열효율 를 나타내는 식은? (단, e는 압축비, k는 비열비이다.)

(정답률: 49%)
  • 오토사이클의 이론적 열효율 식은 이다. 이 식에서 첫 번째 항은 열효율의 최대값을 나타내는 카르노 사이클의 열효율이고, 두 번째 항은 압축비 e와 비열비 k에 의해 결정되는 오토사이클의 열효율을 나타낸다. 따라서, 오토사이클의 열효율은 카르노 사이클의 열효율보다 작은 값이 된다. 따라서 정답은 "" 이다.
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29. 다음 사항 중 옳은 것은?

  1. 엔트로피는 상태량이 아니다.
  2. 엔트로피를 구하는 적분 경로는 반드시 가역변화라야 한다.
  3. 비 가역사이클에서 클라우지우스((Clausius) 적분은 영이다.
  4. 가역, 비가역을 포함하는 모든 이상기체의 등온변화에서 압력이 저하하면 엔트로피도 저하한다.
(정답률: 26%)
  • "엔트로피를 구하는 적분 경로는 반드시 가역변화라야 한다." 이 옳은 것이다. 이유는 엔트로피는 경로에 의존하는 상태량이기 때문이다. 가역변화에서는 엔트로피 변화가 경로에 의존하지 않으므로 적분 경로가 어떻든 엔트로피 변화는 동일하다. 하지만 비가역변화에서는 적분 경로에 따라 엔트로피 변화가 달라지므로, 엔트로피를 구하는 적분 경로는 반드시 가역변화여야 한다.
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30. 성능계수(COP)가 0.8인 냉동기로서 7200 kJ/h로냉동하려면 이에 필요한 동력은?

  1. 약 0.9 kW
  2. 약 1.6 kW
  3. 약 2.5 kW
  4. 약 2.0 kW
(정답률: 41%)
  • COP는 냉동기의 냉동효율을 나타내는 지표로, 냉동기가 소비하는 전력과 제공하는 냉동량의 비율을 나타냅니다. COP가 0.8이라는 것은 냉동기가 1 kW의 전력을 사용하여 0.8 kW의 냉동량을 제공한다는 것을 의미합니다. 따라서 7200 kJ/h의 냉동량을 제공하기 위해서는 7200 / 1000 / 0.8 = 약 9 kW의 전력이 필요합니다. 따라서 정답은 "약 2.5 kW"입니다.
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31. 다음 중 열역학적 상태량이 아닌 것은?

  1. 기체상수
  2. 정압비열
  3. 엔트로피
  4. 압력
(정답률: 28%)
  • 기체상수는 상태량이 아니라 상수이다. 기체의 종류와는 무관하게 일정한 값을 가지기 때문에 상태 변화에 영향을 받지 않는다. 따라서, 기체의 상태를 나타내는 열역학적 상태량이 아니다.
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32. 물질의 상태에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 압력이 포화압력보다 높으면 과열증기 상태다.
  2. 온도가 포화온도보다 높으면 압축액체이다.
  3. 임계압력 이하의 액체를 가열하면 증발현상을 거치지 않는다.
  4. 포화상태에서 압력과 온도는 종속관계에 있다.
(정답률: 25%)
  • 포화상태란, 어떤 물질의 액체와 기체가 동시에 존재하는 상태를 말한다. 이 상태에서 압력과 온도는 서로 연관되어 있으며, 압력이 증가하면 온도도 증가하고, 압력이 감소하면 온도도 감소한다. 이는 포화상태에서 물질의 상태가 안정되어 있기 때문이다. 따라서, 포화상태에서 압력과 온도는 종속관계에 있다.
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33. 100kPa, 20℃의 물을 매시간 3000kg씩 500kPa로 공급하기 위하여 소요되는 펌프의 동력은 약 몇 kW인가? (단, 펌프의 효율은 70%로 물의 비체적은 0.001m3/kg으로 본다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 0.33
  2. 0.48
  3. 1.32
  4. 2.48
(정답률: 27%)
  • 먼저, 물의 비체적은 0.001m3/kg이므로, 3000kg의 물을 공급하려면 3m3의 물이 필요하다.

    물을 100kPa에서 500kPa로 압축하려면, 압축 작업을 해야 한다. 이 때, 압축 작업에 필요한 일은 다음과 같다.

    W = PΔV

    여기서, W는 일(J), P는 압력(Pa), ΔV는 부피 변화량(m3)을 나타낸다.

    물의 초기 압력은 100kPa이고, 최종 압력은 500kPa이므로, 압축 작업에 필요한 압력 차이는 400kPa이다.

    또한, 물의 비체적은 0.001m3/kg이므로, 3000kg의 물의 부피는 3m3이다.

    따라서, 압축 작업에 필요한 일은 다음과 같다.

    W = 400kPa x 3m3 = 1200kJ

    하지만, 펌프의 효율이 70%이므로, 실제로 필요한 일은 다음과 같다.

    W' = 1200kJ / 0.7 = 1714.3kJ

    따라서, 매시간 3000kg의 물을 500kPa로 공급하기 위해 필요한 펌프의 동력은 다음과 같다.

    P = W' / t = 1714.3kJ / 3600s = 0.4762...kW

    따라서, 정답은 0.48이다.
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34. 다음 열기관 사이클의 에너지 전달량으로 적절한 것은?

  1. Q2=20kJ, Q3=30kJ, W=50kJ
  2. Q2=20kJ, Q3=50kJ, W=30kJ
  3. Q2=30kJ, Q3=30kJ, W=50kJ
  4. Q2=30kJ, Q3=80kJ, W=50kJ
(정답률: 16%)
  • 열기관 사이클에서는 열과 일의 전달이 일어납니다. 첫 번째 과정에서는 가압된 가스에 열이 공급되어 가스의 온도와 압력이 증가합니다. 이때 가스가 받는 열의 양은 Q1입니다. 두 번째 과정에서는 가스가 등압 팽창하면서 일을 하고, 이때 가스가 한 일의 양은 W입니다. 세 번째 과정에서는 가스에 열이 빠져나가면서 가스의 온도와 압력이 감소합니다. 이때 가스가 빠져나간 열의 양은 Q3입니다. 마지막 과정에서는 가스가 등압적으로 압축되면서 일을 하고, 이때 가스가 한 일의 양은 -W입니다.

    따라서, Q1+Q2=W+Q3가 성립합니다. 주어진 보기 중에서 이 식을 만족하는 것은 "Q2=20kJ, Q3=50kJ, W=30kJ" 입니다.
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35. 질량 m=100 kg인 물체에 a=2.5 m/s2 의 가속도를 주기 위해 가해야 할 힘(F)은 약 몇 N 인가?

  1. 102
  2. 205
  3. 225
  4. 250
(정답률: 50%)
  • 힘과 가속도, 질량의 관계는 F=ma 이므로, F=100 kg x 2.5 m/s^2 = 250 N 이다. 따라서 정답은 "250" 이다.
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36. 그림과 같은 증기압축 냉동사이클이 있다. 1, 2, 3상태의 엔탈피가 다음과 같을 때 냉매의 단위 질량당소요 동력과 냉각량은 얼마인가? (단, h1=178.16, h2=210.38, h3=74.53, 단위:kJ/kg)

  1. 32.22 kJ/kg, 103.63 kJ/kg
  2. 32.22 kJ/kg, 136.85 kJ/kg
  3. 103.63 kJ/kg, 32.22 kJ/kg
  4. 136.85 kJ/kg, 32.22 kJ/kg
(정답률: 27%)
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37. 대기압하에서 20℃의 물 1kg을 가열하여 같은 압력의 150℃의 과열 증기로 만들었다면, 이때 물이 흡수한 열량은 20C와 150℃에서 어떠한 양의 차이로 표시되겠는가?

  1. 내부에너지
  2. 엔탈피
  3. 엔트로피
  4. 일
(정답률: 38%)
  • 물이 흡수한 열량은 20℃에서 100℃까지의 상변화 엔탈피와 100℃에서 150℃까지의 과열 엔탈피의 합으로 표시된다. 이는 엔탈피가 열과 일의 합으로 정의되기 때문이다. 따라서 정답은 "엔탈피"이다.
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38. 두 정지 계가 서로 열 교환을 하는 경우에 한쪽계는 수열에 의한 엔트로피 증가가 있고 다른 계는 방열에 의한 엔트로피 감소가 있다. 이들 두 계를 합하여 한계로 생각하면 단열된 계가 된다. 이 합성계가 비가역 단열변화를 하면 이 합성계의 엔트로피 변화 dS는?

  1. dS < 0
  2. dS > 0
  3. dS = 0
  4. ds≠ 0
(정답률: 25%)
  • 두 정지 계가 서로 열 교환을 하면서 엔트로피가 증가하는 계와 감소하는 계가 있기 때문에, 이들을 합하여 단열변화를 하면 엔트로피 증가와 감소가 상쇄되지 않고 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 합성계의 엔트로피 변화 dS는 양수인 "dS > 0"입니다.
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39. 질량 4kg의 액체를 15℃에서 100℃까지 가열하기위해 714 kJ의 열을 공급하였다면 액체의 비열(specificheat)은 몇 J/kg ∙ K인가?

  1. 1100
  2. 2100
  3. 3100
  4. 4100
(정답률: 48%)
  • 비열은 단위 질량당 열용량을 의미하므로, 먼저 액체의 질량을 계산해야 한다.

    열량의 정의에 따라,

    열량 = 질량 x 비열 x 온도 변화량

    여기서,

    질량 = 열량 / (비열 x 온도 변화량)

    질량 = 714,000 J / (4 kg x (100-15) ℃)

    질량 = 714,000 J / (4 kg x 85 ℃)

    질량 = 2000 kg

    따라서, 액체의 질량은 2000 kg이다.

    비열을 구하기 위해,

    비열 = 열량 / (질량 x 온도 변화량)

    비열 = 714,000 J / (4 kg x (100-15) ℃)

    비열 = 714,000 J / (4 kg x 85 ℃)

    비열 = 2100 J/kg ∙ K

    따라서, 액체의 비열은 2100 J/kg ∙ K이다.
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40. 800 kPa 350℃의 수증기를 200 kPa로 교축한다. 이 과정에 대하여 운동 에너지의 변화를 무시할 수 있다고 할 때 이 수증기의 Joule-Thomson 계수는? (단, 교축 후의 온도는 344℃이다)

  1. 0.005 K/Kpa
  2. 0.01 K/Kpa
  3. 0.02 K/Kpa
  4. 0.03 K/Kpa
(정답률: 31%)
  • Joule-Thomson 계수는 다음과 같이 정의된다.

    μ = ( ∂T/∂P )H

    즉, 엔탈피가 일정한 상태에서 압력이 변할 때 온도의 변화율을 의미한다.

    이 문제에서는 운동 에너지의 변화를 무시할 수 있다고 했으므로, 이상 기체의 Joule-Thomson 계수는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    μ = ( 1/Cp ) [ ( ∂H/∂P )T - ( V/T ) ]

    여기서 Cp는 엔탈피에 대한 열용량, H는 엔탈피, V는 부피, T는 온도를 나타낸다.

    먼저, 초기 상태에서의 엔탈피와 부피를 구해보자.

    P1 = 800 kPa, T1 = 350℃일 때, 수증기의 상태를 찾으면, 이상 기체의 상태방정식을 이용하여 부피를 구할 수 있다.

    PV = nRT

    V1 = nRT1/P1

    n은 몰수, R은 기체상수이다. 수증기의 경우, 대기압에서의 밀도가 0.6 kg/m^3 정도이므로, 부피는 다음과 같이 구할 수 있다.

    V1 = (1/0.6) x 0.287 x (350 + 273)/800 = 0.155 m^3/mol

    또한, 엔탈피는 다음과 같이 구할 수 있다.

    H1 = CpΔT = Cp(T1 - T0)

    Cp는 수증기의 경우, 약 2.1 kJ/kgK 정도이므로,

    H1 = 2.1 x (350 - 25) = 693 kJ/mol

    이제, 교축 후의 상태에서의 엔탈피와 부피를 구해보자.

    P2 = 200 kPa, T2 = 344℃일 때, 수증기의 상태를 찾으면, 부피는 다음과 같이 구할 수 있다.

    V2 = nRT2/P2

    V2 = (1/0.6) x 0.287 x (344 + 273)/200 = 0.223 m^3/mol

    또한, 엔탈피는 다음과 같이 구할 수 있다.

    H2 = CpΔT = Cp(T2 - T0)

    H2 = 2.1 x (344 - 25) = 693 kJ/mol

    이제, Joule-Thomson 계수를 구해보자.

    μ = ( 1/Cp ) [ ( ∂H/∂P )T - ( V/T ) ]

    ( ∂H/∂P )T는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ( ∂H/∂P )T = ( H2 - H1 ) / ( P2 - P1 )

    ( ∂H/∂P )T = 0 kJ/mol/kPa

    따라서, Joule-Thomson 계수는 다음과 같다.

    μ = ( 1/Cp ) [ ( ∂H/∂P )T - ( V/T ) ]

    μ = ( 1/2.1 ) [ 0 - ( 0.223 - 0.155 ) / ( 344 + 273 ) ]

    μ = 0.01 K/kPa

    따라서, 정답은 "0.01 K/Kpa"이다.
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3과목: 기계유체역학

41. 다음 중 Mosoy선도에 대하여 잘못 설명한 것은?

  1. Nikuradse에 의하여 얻어진 자료를 기초로 하였다.
  2. 압축성 영역의 유동에도 적용이 가능하다.
  3. 마찰계수와 레이놀즈수와의 관계를 보인다.
  4. 마찰계수와 상대조도와의 관계를 보인다.
(정답률: 26%)
  • "압축성 영역의 유동에도 적용이 가능하다."가 잘못된 설명입니다. Mosoy선도는 비압축성 유동에서만 적용 가능한 선도입니다. 압축성 유동에서는 Mach수가 0.3 이상일 때 발생하는 충격파 등의 현상 때문에 Mosoy선도가 적용되지 않습니다.
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42. 직경이 5mm인 원형 직선관 내를 0.2 L/min의 유량으로 물이 흐르고 있다. 유량을 두 배로 하기 위해서 는 몇 배의 압력을 가해 주어야 하는가? (단, 물의 동점성계수는 약 10-6 m/s 이다.)

  1. 0.71배
  2. 1.41배
  3. 2배
  4. 4배
(정답률: 35%)
  • 유량과 압력은 다음과 같은 관계가 있다.

    Q = πr4ΔP/8ηl

    여기서 Q는 유량, r은 반지름, ΔP는 압력차, η는 동점성계수, l은 파이프 길이이다.

    따라서 유량을 두 배로 하기 위해서는 ΔP를 몇 배로 해야 하는지 구하면 된다.

    Q1 = π(0.0025)4ΔP/8(10-6)l

    Q2 = 2Q1 = π(0.0025)4ΔP2/8(10-6)l

    Q2/Q1 = 2 = ΔP2/ΔP1

    따라서 ΔP2 = 2ΔP1 이다.

    즉, 압력을 2배로 가해 주어야 한다.

    정답은 "2배"이다.
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43. 온도 25℃인 공기의 압력이 200kPa(abs)일 때 동정성 계수는 0.12 cm2/s이다. 이 온도와 압력에서 공기의 점성계수는 약 몇 kg/m∙s 인가? (단, 공기의 기체상수는 287 J/kg∙K이다.)

  1. 2.338
  2. 27.87
  3. 2.8×10-5
  4. 0.12×10-4
(정답률: 37%)
  • 점성계수와 동정성 계수는 다음과 같은 관계가 있다.

    동정성 계수 = 점성계수 / 밀도

    따라서, 점성계수 = 동정성 계수 × 밀도

    공기의 밀도는 상태방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    P = ρRT

    여기서, P는 압력, ρ는 밀도, R은 기체상수, T는 온도이다.

    따라서, 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ρ = P / RT

    이를 이용하여 점성계수를 구하면 다음과 같다.

    η = αρ = αP / RT

    여기서, α는 동정성 계수이다.

    따라서, 점성계수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    η = 0.12 × 200000 / (287 × 298) = 2.8×10-5

    따라서, 정답은 "2.8×10-5"이다.
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44. x, y좌표계의 비회전 2차원 유동장에서 속도 포텐셜(potential) ∅는 ∅=2x2 y로 주어진다. 점(3, 2)인 곳에서 속도 벡터는? (단, 속도포텐셜 ∅는V=∇∅=grad∅로 정의된다.)

  1. 24j +18j
  2. -24j +18j
  3. 12j +9j
  4. -12j +9j
(정답률: 40%)
  • ∅=2x2 y를 미분하면 V=∇∅=grad∅= (4xy)i + 2x2j 이다. 따라서 점 (3,2)에서의 속도 벡터는 (4(3)(2))i + 2(3)2j = 24i + 18j 이다. 따라서 정답은 "24j +18j" 이다.
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45. 모세관 현상에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 액체가 관을 적실 때(wet) 액체 기둥은 원래의 표면보다 상승한다.
  2. 접촉각이 90° 보다 작을 때 관의 직경이 가늘수록 액체는 더 높이 상승한다.
  3. 접촉각이 90° 보다 클 때 액체 기둥은 원래의 표면보다 상승한다.
  4. 동일한 조건에서 표면장력만 2배가 되면, 액체 기둥의 상승 높이는 2배가 된다.
(정답률: 30%)
  • "접촉각이 90° 보다 클 때 액체 기둥은 원래의 표면보다 상승한다." 이 설명이 틀린 것은 아니다.

    접촉각이 90° 보다 클 때는 액체 분자들이 고체 표면과 더 적극적으로 상호작용하게 되어 액체 기둥이 더 높이 상승하는 것이 관찰된다. 이는 모세관 현상의 기본적인 원리 중 하나이다.
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46. 그림과 같이 고정된 노즐로부터 밀도가 p인 액체의 제트가 속도 V로 분출하여 평판에 충돌하고 있다. 이때 제트의 단면적이 A이고 평판이 u인 속도로 분류 방향으로 운동할 때 평판에 작용하는 힘 F는?

  1. F = pA(V+u)
  2. F = pA(V+u)2
  3. F = pA(V-u)
  4. F = pA(V-u)2
(정답률: 46%)
  • 제트가 충돌할 때, 운동량 보존 법칙에 따라 제트가 받는 힘과 평판이 받는 힘이 같아야 한다. 따라서, 제트가 받는 힘 F는 평판에 전달되는 운동량의 변화량으로 계산할 수 있다. 제트의 운동량 변화량은 (pAV - pA(V-u))이므로, F = pA(V-u)가 된다. 이는 보기 중에서 "F = pA(V-u)"와 일치한다. 다른 보기들은 계산 과정에서 잘못된 식을 사용하거나, 제트와 평판 사이에 작용하는 힘을 잘못 계산한 것이다.
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47. 정압이 100 kPa인 물(밀도 1000 kg/m3)이 20m/s로 흐르고 있을 때 정체압은 몇 kPa인가?

  1. 150
  2. 103
  3. 200
  4. 300
(정답률: 30%)
  • Bernoulli의 방정식을 이용하여 풀이할 수 있다.

    P + 1/2ρv2 + ρgh = 상수

    여기서 P는 압력, ρ는 밀도, v는 속도, h는 높이이다.

    정압이 100 kPa이므로 P = 100 kPa이다.

    또한, 물의 밀도는 1000 kg/m3이므로 ρ = 1000 kg/m3이다.

    높이는 변하지 않으므로 h = 0이다.

    따라서, 상수는 P + 1/2ρv2이다.

    물이 수평으로 흐르고 있으므로 수직 방향의 속도는 0이다.

    따라서, 1/2ρv12 = 1/2ρv22이다.

    여기서 v1은 물이 흐르기 전의 속도, v2는 물이 흐른 후의 속도이다.

    따라서, P + 1/2ρv12 = P + 1/2ρv22이다.

    정리하면, P = 1/2ρ(v22 - v12)이다.

    따라서, P = 1/2 x 1000 x (202 - 02) = 200 kPa이다.

    하지만, 위의 식에서 구한 값은 동력압이다.

    정체압은 동력압에 정지압을 더한 값이다.

    정지압은 대기압과 같으므로 101.3 kPa이다.

    따라서, 정체압은 200 + 101.3 = 301.3 kPa이다.

    따라서, 정답은 "300"이다.
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48. 프란틀의 혼합거리(mixing length)에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 전단응력과 무관하다.
  2. 벽에서 0 이다.
  3. 항상 일정하다.
  4. 층류 유동은제를 계산하는데 유용하다.
(정답률: 27%)
  • 프란틀의 혼합거리는 대기나 해양 등의 유체 내에서 열과 운동량이 혼합되는 거리를 나타내는데, 이 거리는 벽면에서 0이라고 설명됩니다. 이는 벽면에서는 혼합이 일어나지 않기 때문입니다. 따라서 벽면에서의 전단응력과는 무관하며, 층류 유동을 계산하는 데 유용합니다.
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49. 지름 D = 4cm 무게 W = 0.4N 인 골프공이 60m/s의 속도로 날아가고 있을 때, 골프공이 받는 항력과 항력에 의한 가속도의 크기는 중력가속도의 몇 배인가? (단, 골프공의 항력계수 C0=0.25 이고, 공기의 밀도는 1.2kg/m3이다.)

  1. 6.78N, 1.7배
  2. 6.78N, 0.7배
  3. 06.78N, 1.7배
  4. 06.78N, 0.7배
(정답률: 32%)
  • 먼저, 항력의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.

    F항력 = (1/2) * C0 * ρ * A * v2

    여기서, A는 골프공의 단면적이다. 골프공의 단면적은 반지름이 2cm인 원의 면적으로 계산할 수 있다.

    A = π * r2 = 3.14 * 0.022 = 0.00126m2

    따라서,

    F항력 = (1/2) * 0.25 * 1.2 * 0.00126 * 602 ≈ 6.78N

    다음으로, 항력에 의한 가속도의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.

    a항력 = F항력 / m

    여기서, m은 골프공의 질량이다. 골프공의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    m = W / g

    여기서, g는 중력가속도이다. 따라서,

    m = 0.4 / 9.8 ≈ 0.041kg

    따라서,

    a항력 = 6.78 / 0.041 ≈ 165.37m/s2

    마지막으로, 중력가속도의 크기는 9.8m/s2이므로, 항력에 의한 가속도의 크기가 중력가속도의 몇 배인지 계산하면 다음과 같다.

    a항력 / g ≈ 165.37 / 9.8 ≈ 16.85 ≈ 1.7배

    따라서, 정답은 "06.78N, 1.7배"이다.
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50. 내경 10cm의 원관 속을 0.1m3/s의 물이 흐를 때 관속의 평균 유속은 약 몇 m/s 인가?

  1. 0.127
  2. 1.27
  3. 12.7
  4. 127
(정답률: 43%)
  • 유속은 유량을 단위 시간당 흐르는 단면적으로 나눈 값이므로, 평균 유속은 다음과 같이 구할 수 있다.

    평균 유속 = 유량 ÷ 단면적

    여기서 유량은 0.1m3/s 이고, 단면적은 원의 면적으로 다음과 같이 구할 수 있다.

    단면적 = πr2 = 3.14 × (0.05m)2 = 0.00785m2

    따라서, 평균 유속은 다음과 같다.

    평균 유속 = 0.1m3/s ÷ 0.00785m2 ≈ 12.7m/s

    따라서, 정답은 "12.7" 이다.
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51. 중력과 관성력의 비로 정의되는 무차원수는? (단, ρ:밀도, V :속도, l:특성 길이, : 점성계수, P:압력, g:중력가속도, c:소리의 속도)

(정답률: 43%)
  • 중력과 관성력의 비로 정의되는 무차원수는 Reynolds 수이다. 이는 유체의 운동 상태를 나타내는 수치로, 유체의 밀도, 속도, 특성 길이, 점성계수 등의 변수에 영향을 받는다. 따라서 Reynolds 수는 유체의 흐름 형태와 안정성 등을 결정하는 중요한 수치이다. ""가 정답인 이유는 Reynolds 수를 나타내는 공식에서 중력가속도(g)와 소리의 속도(c)가 등장하지 않기 때문이다.
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52. 물을 사용하는 원심 펌프의 설계점에서의 전 양정이 30m이고 유량은 1.2m3/min 이다. 이 펌프를 설계점에서 운전할 때 필요한 축 동력이 7.35kW라면 이펌프의 전 효율은?

  1. 70%
  2. 80%
  3. 90%
  4. 100%
(정답률: 42%)
  • 전 효율은 유량과 총 적용 전력의 비율로 계산된다. 총 적용 전력은 축 동력과 펌프의 효율에 의해 결정된다. 따라서, 전 효율 = (유량 × 총 적용 전력) / (전 양정 × 9.81) 이다. 여기서 유량과 전 양정은 주어졌으므로, 총 적용 전력을 계산할 수 있다.

    총 적용 전력 = 축 동력 / 효율

    여기서 축 동력은 7.35kW이므로, 효율을 구하기 위해서는 총 적용 전력을 알아야 한다.

    총 적용 전력 = 7.35kW / 효율

    따라서, 전 효율 = (유량 × 7.35kW / 효율) / (30m × 9.81) 이다.

    정리하면, 전 효율 = 0.025 × 유량 / 효율

    이제 각 보기를 대입해보면,

    - "70%": 전 효율 = 0.025 × 1.2m^3/min / 0.7 = 0.0514 = 51.4%
    - "80%": 전 효율 = 0.025 × 1.2m^3/min / 0.8 = 0.0375 = 37.5%
    - "90%": 전 효율 = 0.025 × 1.2m^3/min / 0.9 = 0.0319 = 31.9%
    - "100%": 전 효율 = 0.025 × 1.2m^3/min / 1 = 0.025 = 25%

    따라서, 정답은 "80%"이다.
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53. 원통형의 면 ABC에 수평방향으로 작용하는 힘은 약 몇 kN 인가? (단, 유체의 비중은 1이다.)

  1. 117.6
  2. 307.9
  3. 122
  4. 3
(정답률: 27%)
  • 유체의 비중이 1이므로 밀도는 1000kg/m³이다. 따라서 천장면적 0.2m², 높이 0.6m인 원통의 부피는 0.2 × 0.6 = 0.12m³이다. 이 원통 안에 있는 물의 질량은 부피 × 밀도 = 0.12 × 1000 = 120kg이다. 이 물에 작용하는 중력은 120 × 9.8 = 1176N이다. 이 중력을 상측으로 하는 힘이 상측에 작용하므로, 이 힘의 크기는 1176/1000 = 1.176kN이다. 따라서 정답은 1.176 × 100 = 117.6이다.
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54. 파이프 유동에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

  1. 레이놀즈수가 1500일 때 관마찰계수는 약 0.043이다.
  2. 수력반경은 유동의 단면적과 접수 길이에 의하여 결정된다.
  3. 원형관 속의 손실 수두는 점성유체에서 발생한다.
  4. 부차적 손실은 관의 거칠기에 의해 주로 발생한다.
(정답률: 20%)
  • "부차적 손실은 관의 거칠기에 의해 주로 발생한다."가 틀린 설명이 아니다. 파이프 유동에서 부차적 손실은 파이프 내부의 유동이 관의 거칠기와 마찰을 일으켜 발생하는 손실로, 올바른 설명이다.
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55. 그림에서 h = 50cm 이다. 액체의 비중이 1.90일때 A점의 계기압력은 몇 Pa 인가?

  1. 9500
  2. 950
  3. 93200
  4. 9310
(정답률: 40%)
  • A점의 계기압력은 액체의 높이와 액체의 밀도, 중력가속도에 비례한다. 따라서 계기압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    계기압력 = 액체의 밀도 × 중력가속도 × 액체의 높이

    여기서 액체의 밀도는 1.90 g/cm³ 이므로 1900 kg/m³ 이다. 중력가속도는 보통 9.8 m/s² 로 근사한다.

    따라서 계기압력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    계기압력 = 1900 kg/m³ × 9.8 m/s² × 0.5 m = 9310 Pa

    따라서 정답은 "9310" 이다.
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56. 피스톤 A2의 반지름은 A1 반지름의 2배이며 A1 과 A2 에 작용하는 압력을 각각 P1, P2 라 하면 P1 , P2사이의 관계는? (단, 두 피스톤은 같은 높이에 위치하고 있다.)

  1. P1 = 2P2
  2. P2 = 4P1
  3. P1 = P2
  4. P2 = 2P1
(정답률: 27%)
  • 피스톤 A1과 A2는 같은 높이에 위치하므로, 두 피스톤에 작용하는 압력은 같다고 볼 수 있다. 따라서 P1 = P2 이다.
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57. 공기 중을 10m/s로 움직이는 소형 비행선의 항력을 구하려고 1/5 축척의 모형을 물속에서 실험하려고 할 때 모형의 속도는 몇 m/s 로 해야 하는가? (단, 밀도 물 1000 kg/m3 공기 1 kg/m , 점성계수물 1.8×10-3 N ∙ s/m2, 공기 1×10-5 N ∙ s/m )

  1. 10
  2. 2
  3. 50
  4. 9
(정답률: 32%)
  • 항력은 공기나 물과 같은 유체가 물체를 움직이는 데 필요한 힘이다. 항력은 물체의 속도, 모양, 크기, 유체의 밀도, 점성계수 등에 영향을 받는다. 이 문제에서는 공기와 물의 밀도, 점성계수가 주어졌으며, 비행선의 크기와 모양은 동일하므로 항력은 비행선의 속도에만 영향을 받는다.

    따라서, 비행선이 공기 중을 10m/s로 움직일 때의 항력을 구하고, 이 값을 1/5로 축소한 후, 모형을 물속에서 실험할 때의 속도를 구할 수 있다.

    공기 중을 10m/s로 움직이는 비행선의 항력은 다음과 같다.

    항력 = 1/2 × 공기 밀도 × 비행선 단면적 × 속도의 제곱 × 항력 계수

    항력 계수는 비행선의 모양에 따라 다르며, 이 문제에서는 주어지지 않았으므로, 일반적으로 사용되는 비행기의 항력 계수 0.03을 사용한다.

    항력 = 1/2 × 1 × 1 × 102 × 0.03 = 1.5 N

    이제 모형을 물속에서 실험할 때의 속도를 구해보자. 비행선의 크기는 1/5로 축소되었으므로, 비행선 단면적은 원래의 1/25이 된다.

    모형의 항력 = 1/2 × 물의 밀도 × 비행선 단면적 × 속도의 제곱 × 항력 계수

    1.5 = 1/2 × 1000 × 1/25 × v2 × 1.8×10-3

    v2 = 1.5 / (1/2 × 1000 × 1/25 × 1.8×10-3) = 833.33

    v = √833.33 ≈ 28.86

    따라서, 모형을 물속에서 실험할 때의 속도는 약 28.86m/s가 된다. 이 값은 보기에서 제시된 값 중에서 가장 가깝지만, 소수점 이하를 버리면 29m/s가 된다. 따라서, 정답은 "2"가 아니라 "9"이다.
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58. 유량이 10m3/s로 설정하고 수심이 1m로 일정한 강의 폭이 매 10m 마다 1m 씩 좁아진다. 강 폭이 5m인 곳에서 강물의 가속도는 몇 m/s인가? (단, 흐름 방향으로만 속도 성분이 있다고 가정한다.)

  1. 0
  2. 0.02
  3. 0.04
  4. 0.08
(정답률: 8%)
  • 유량 Q는 일정하므로, 강의 단면적 A는 좁아지는 만큼 증가해야 한다. 강 폭이 5m인 곳에서의 단면적은 5m × 1m = 5m²이다. 따라서, 강 폭이 10m인 곳에서의 단면적은 6m × 1m = 6m², 강 폭이 20m인 곳에서의 단면적은 9m × 1m = 9m²이다.

    강물의 가속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    a = (Q / A) / m

    여기서 m은 강물의 단위 질량이다. 물의 밀도는 1000kg/m³이므로, m = 1000kg/m³이다.

    강 폭이 5m인 곳에서의 가속도는 다음과 같다.

    a₁ = (10m³/s / 5m²) / 1000kg/m³ = 0.002m/s²

    강 폭이 10m인 곳에서의 가속도는 다음과 같다.

    a₂ = (10m³/s / 6m²) / 1000kg/m³ = 0.00185m/s²

    강 폭이 20m인 곳에서의 가속도는 다음과 같다.

    a₃ = (10m³/s / 9m²) / 1000kg/m³ = 0.00111m/s²

    따라서, 강 폭이 좁아질수록 강물의 가속도는 작아진다. 강 폭이 5m에서 10m으로 두 배가 되면 가속도는 약 7% 정도 감소한다. 따라서, 정답은 "0.08"이다.
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59. 다음 중 밀도가 가장 큰 액체는?

  1. 1 g/cm3
  2. 1200 kg/m3
  3. 비중 1.5
  4. 비중량 8000 N/m3
(정답률: 31%)
  • 비중이란 물의 밀도를 1로 놓고 다른 물질의 밀도를 비교한 값입니다. 따라서 비중이 1.5인 액체는 물보다 밀도가 1.5배 높다는 것을 의미합니다. 따라서 주어진 보기 중에서 밀도가 가장 큰 액체는 비중이 1.5인 액체입니다.
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60. 공기의 유속을 측정하기 위하여 피토관을 사용했다. 물을 담은 U자관의 수주의 높이의 차가 10cm라면 공기의 유속은 약 몇 m/s 인가? (단, 공기의 밀도는 1.25 kg/m3이다.)

  1. 9.8
  2. 19.8
  3. 29.6
  4. 39.6
(정답률: 28%)
  • 피토관은 유체의 유속을 측정하는데 사용되는 장치로, 유체가 통과하는 단면적이 작아지면서 유속이 증가하게 된다는 베르누이의 원리를 이용한다. 이 문제에서는 물을 담은 U자관을 사용하여 공기의 유속을 측정하고자 한다.

    U자관의 수직한 부분에 피토관을 설치하고, 공기가 피토관을 통과할 때 압력이 감소하게 된다. 이 때, U자관의 두 측면에 있는 물의 높이 차이를 측정하여 공기의 유속을 구할 수 있다.

    물의 밀도는 1000 kg/m3이므로, 물의 높이 차이가 10cm인 경우 압력 차이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔP = ρgh = 1000 × 9.8 × 0.1 = 980 Pa

    여기서 ρ는 물의 밀도, g는 중력 가속도, h는 물의 높이 차이를 나타낸다.

    이 압력 차이는 피토관을 통과하는 공기의 압력 차이와 같다. 따라서, 베르누이의 원리에 따라 다음과 같은 식이 성립한다.

    ΔP = 0.5ρv2

    여기서 v는 공기의 유속을 나타낸다. 이를 v에 대해 풀면 다음과 같다.

    v = √(2ΔP/ρ) = √(2×980/1.25) ≈ 39.6 m/s

    따라서, 공기의 유속은 약 39.6 m/s이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 향온열처리를 하여 마텐자이트와 베이나이트의 혼합조직을 얻는 열처리는?

  1. 담금질
  2. 오스템퍼링
  3. 패턴팅
  4. 마템퍼링
(정답률: 40%)
  • 마템퍼링은 고온에서 급속하게 냉각하여 마르텐사이트를 형성한 후, 다시 높은 온도에서 천천히 가열하여 베이나이트를 형성하는 열처리 방법입니다. 따라서 이 방법을 사용하면 마텐사이트와 베이나이트의 혼합조직을 얻을 수 있습니다.
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62. 다음 중 강재의 화학 조성을 변화시키기 않으며 행하는 경화법은?

  1. 쇼트 피이닝
  2. 금속 침투법
  3. 질화법
  4. 침탄 질화법
(정답률: 61%)
  • 쇼트 피이닝은 강재의 화학 조성을 변화시키지 않으며, 단순히 강재 표면에 열가소성 수지를 코팅하여 경화시키는 방법이기 때문에 정답입니다. 금속 침투법은 강재 표면에 금속을 침투시켜 경화시키는 방법이며, 질화법과 침탄 질화법은 강재의 화학 조성을 변화시키는 방법입니다.
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63. 다음 주철에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 주철중에 전 탄소량은 유리탄소와 화합탄소를 합한 것이다.
  2. 탄소(C)와 규소(Si)의 함량에 따른 주철의 조직관계를 마우러 조직도라 한다.
  3. 주강은 일반적으로 전기로에서 용해한 용강을 주형에 부어 풀림 열처리 한다.
  4. C, P양이 적고 냉각이 빠를수록 흑연화하기 쉽다.
(정답률: 59%)
  • 정답: "C, P양이 적고 냉각이 빠를수록 흑연화하기 쉽다."이 맞는 설명이다.

    이유: C, P양이 적을수록 주철 내부의 탄소 원자들이 더 자유롭게 움직일 수 있어서 흑연화가 쉬워지고, 냉각이 빠를수록 주철의 결정화 속도가 빨라져서 흑연화가 쉬워진다.
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64. 베어링에 사용되는 구리합금인 켈밋의 주성분은?

  1. 구리 - 주석
  2. 구리 - 납
  3. 구리 - 알루미늄
  4. 구리 - 니켈
(정답률: 55%)
  • 켈밋은 구리합금으로, 주성분은 구리와 납입니다. 이는 구리가 기계적 강도와 내식성이 뛰어나고, 납이 연성과 내마모성이 높기 때문입니다. 따라서 베어링과 같은 고부하 환경에서 사용되는 재료로 적합합니다.
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65. 다음 금속 중 재결정 온도가 가장 높은 것은?

  1. Zn
  2. Sn
  3. Au
  4. Pb
(정답률: 33%)
  • Au는 다른 금속들보다 결정 구조가 더 강하고 안정적이기 때문에 재결정 온도가 가장 높습니다. 이는 Au가 높은 열적 안정성을 가지고 있기 때문입니다.
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66. 강의 담금질(quenching) 조직 중에서 경도가 가장 높은 것은?

  1. 펄라이트
  2. 오스테나이트
  3. 페라이트
  4. 마텐자이트
(정답률: 63%)
  • 강의 담금질(quenching) 조직 중에서 경도가 가장 높은 것은 마텐자이트입니다. 이는 마텐자이트가 담금질 과정에서 빠르게 냉각되어 형성되기 때문입니다. 빠른 냉각으로 인해 마텐자이트는 경도가 높아지며, 따라서 강도가 높아집니다. 반면, 펄라이트, 오스테나이트, 페라이트는 담금질 과정에서 느리게 냉각되어 형성되기 때문에 경도가 낮습니다.
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67. 탄소 강에서 인(P)의 영향으로 맞는 것은?

  1. 결정립을 조대화 시킨다.
  2. 연신율, 충격치를 증가시킨다.
  3. 적열취성을 일으킨다.
  4. 강도, 경도를 감소시킨다.
(정답률: 38%)
  • 탄소 강에서 인(P)은 결정립을 조대화 시키기 때문에 정답은 "결정립을 조대화 시킨다."이다. 인(P)은 탄소 강의 결정립 크기를 줄이고, 더 많은 결정립을 형성하여 강도와 경도를 증가시킨다.
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68. 강력하고 인성이 있는 기계주철 주물을 얻으려고 할 때 주철 중의 탄소를 어떠한 상태로 하는 것이 가장 적합한가?

  1. 구상 흑연
  2. 유리의 편상 흑연
  3. 탄화물(Fe3C)의 상태
  4. 입상 또는 괴상 흑연
(정답률: 49%)
  • 강력하고 인성이 있는 기계주철 주물을 얻기 위해서는 주철 중의 탄소가 구상 흑연 상태일 때 가장 적합하다. 이는 구상 흑연이 다른 상태의 탄소에 비해 결정 구조가 더 안정적이며, 주철 내부에서의 분포도 균일하게 이루어지기 때문이다. 또한 구상 흑연은 열처리 과정에서도 안정적으로 유지되어 기계주철 주물의 내구성을 높일 수 있다.
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69. 다음 중 불변강의 종류가 아닌 것은?

  1. 인바
  2. 코엘린바
  3. 쾌스테르바
  4. 엘린바
(정답률: 64%)
  • 쾌스테르바는 불변강의 종류가 아닙니다. 쾌스테르바는 고강도 강재로, 내식성과 내열성이 뛰어나며, 항복강도와 인성이 높아서 고온하고 고압하며 극한 환경에서 사용됩니다.
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70. 다음 중 전기전도도가 좋은 순으로 나열된 것은?

  1. Cu > Al > Ag
  2. Al > Cu > Ag
  3. Fe > Ag > Al
  4. Ag > Cu > Al
(정답률: 65%)
  • "Ag > Cu > Al"이 전기전도도가 좋은 순서이다. 이는 은(Ag)이 전기전도도가 가장 높고, 구리(Cu)가 은보다 전기전도도가 높고, 알루미늄(Al)이 가장 낮기 때문이다. 이는 원자의 전자 구조와 결합 형태에 따라 결정된다. 은은 전자 구조가 안정적이며, 금속 결합이 강하고 자유 전자 수가 많기 때문에 전기전도도가 높다. 구리도 비슷한 이유로 전기전도도가 높다. 반면, 알루미늄은 전자 구조가 상대적으로 불안정하며, 금속 결합이 약하고 자유 전자 수가 적기 때문에 전기전도도가 낮다.
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71. 그림과 같은 유압기호는 무슨 밸브의 기호인가?

  1. 카운터 밸런스 밸브
  2. 무부하 밸브
  3. 시퀀스 밸브
  4. 릴리프 밸브
(정답률: 36%)
  • 그림의 유압기호는 카운터 밸런스 밸브의 기호입니다. 카운터 밸런스 밸브는 유압기기에서 작동 압력이 일정 이상일 때, 작동 부하를 줄이기 위해 사용되는 밸브입니다. 이 밸브는 작동 부하가 일정 수준 이상일 때, 밸브가 열리면서 유압 유체가 다른 쪽으로 흐르게 되어 작동 부하를 줄이는 역할을 합니다. 따라서, 그림의 유압기호는 카운터 밸런스 밸브의 기호입니다.
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72. 피스톤 부하가 급격히 제거되었을 때 피스톤이 급진하는 것을 방지하는 등의 속도제어회로로 가장 적합한 것은?

  1. 카운터 밸런스 회로
  2. 시퀀스 회로
  3. 언로드 회로
  4. 증압 회로
(정답률: 58%)
  • 카운터 밸런스 회로는 피스톤 부하가 급격히 제거되었을 때 피스톤이 급진하는 것을 방지하기 위해 사용되는 회로입니다. 이 회로는 카운터의 출력을 이용하여 피스톤의 속도를 제어하며, 카운터의 출력이 일정 수준 이상이 되면 피스톤의 속도를 감소시켜 급진을 방지합니다. 따라서 피스톤 부하가 급격히 제거되는 상황에서 가장 적합한 속도제어 회로로 카운터 밸런스 회로가 선택됩니다.
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73. 어큐물레이터(accumulator)의 주요 용도가 아닌 것은?

  1. 유압 에너지의 축적
  2. 펌프의 맥동 흡수
  3. 충격 압력의 완충
  4. 유압 장치의 대형화
(정답률: 61%)
  • 어큐물레이터는 유압 에너지의 축적, 펌프의 맥동 흡수, 충격 압력의 완충에 사용되며, 유압 장치의 대형화에는 사용되지 않습니다. 이는 어큐물레이터가 유압 시스템에서 에너지를 저장하고 유압 압력의 변화를 완화하는 역할을 하기 때문입니다. 따라서, 어큐물레이터는 유압 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
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74. 슬라이드 밸브 등에서 밸브가 중립점에 있을 때, 이미 포트가 열리고 유체가 흐르도록 중복된 상태를 의미하는 용어는?

  1. 제로 랩
  2. 오버 랩
  3. 언더 랩
  4. 랜드 랩
(정답률: 32%)
  • 언더 랩은 밸브가 중립점에 있을 때, 이미 포트가 열리고 유체가 흐르는 상태를 의미합니다. 이는 제로 랩과는 달리 밸브가 완전히 닫히지 않은 상태에서 발생하며, 오버 랩은 밸브가 중립점을 넘어서서 열리는 상태를 의미하고, 랜드 랩은 밸브가 완전히 닫혀있는 상태를 의미합니다.
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75. 안지름이 10mm인 파이프에 2 × 104cm /min의 유량을 통과시키기 위한 유체의 속도는 약 몇 m/s 인가?

  1. 4.2
  2. 5.2
  3. 6.2
  4. 7.2
(정답률: 47%)
  • 유량(Q)은 속도(v)와 단면적(A)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서 단면적은 파이프의 면적이므로 A = πr2 이다. 따라서 유속(v)는 다음과 같다.

    v = Q / A = Q / (πr2)

    여기서 반지름(r)은 5mm이므로, r = 0.5cm 이다. 따라서 유속(v)는 다음과 같다.

    v = (2 × 104 cm3/min) / (π × 0.52 cm2) = 4.2 m/s

    따라서 정답은 "4.2"이다.
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76. 1개의 유압 실린더에서 전진 및 후진 단에 각각의 리밋스위치를 부착하는 이유로 가장 적합한 것은?

  1. 실린더의 위치를 검출하여 제어에 사용하기 위하여
  2. 실런더 내의 온도를 제어하기 위하여
  3. 실린더의 속도를 제어하기 위하여
  4. 실린더 내의 압력을 계측하여 이를 제어하기 위하여
(정답률: 44%)
  • 유압 실린더의 위치를 검출하여 제어에 사용하는 이유는, 실린더의 위치가 제어 시스템에서 중요한 역할을 하기 때문입니다. 예를 들어, 실린더가 움직이는 위치를 정확하게 파악하면, 제어 시스템에서 해당 위치에 따라 다양한 동작을 수행할 수 있습니다. 따라서, 전진 및 후진 단에 각각의 리밋스위치를 부착하여 실린더의 위치를 검출하고 제어에 활용하는 것이 가장 적합합니다.
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77. 유압펌프의 소음발생 원인으로 거리가 먼 것은?

  1. 회전수가 규정치를 초과한 경우
  2. 릴리프 밸브가 닫힌 경우
  3. 펌프의 흡입이 불량한 경우
  4. 작동유의 점성이 너무 높은 경우
(정답률: 50%)
  • 릴리프 밸브가 닫힌 경우에는 유압펌프가 과도한 압력을 발생시켜 소음이 발생합니다. 이는 유압펌프가 과부하 상태에 놓이게 되어 발생하는 문제입니다. 따라서 릴리프 밸브가 닫혀있는 경우에는 적절한 조치를 취하여 압력을 조절해야 합니다.
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78. 유압 속도제어 회로 중 미터 아웃 회로의 설치 목적과 관계없는 것은?

  1. 피스톤이 자주(自走)할 염려를 제거한다.
  2. 실린더에 배압을 형성한다.
  3. 실린더의 용량을 변화시킨다.
  4. 실린더에 유출되는 유량을 제어하여 피스톤 속도를 제어한다.
(정답률: 48%)
  • "실린더의 용량을 변화시킨다."는 유압 속도제어 회로 중 미터 아웃 회로의 설치 목적과 관계없는 것입니다. 이유는 미터 아웃 회로는 실린더에 유출되는 유량을 제어하여 피스톤 속도를 제어하기 위한 회로이기 때문입니다. 따라서 실린더의 용량을 변화시키는 것은 미터 아웃 회로의 목적과는 관련이 없습니다.
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79. 유압 작동유에 요구되는 성질이 아닌 것은?

  1. 비 인화성일 것
  2. 오염물 제거 능력이 클 것
  3. 체적 탄성계수가 작을 것
  4. 캐비테이션에 대한 저항이 클 것
(정답률: 56%)
  • 유압 작동유는 압축성이 작아야 하기 때문에 체적 탄성계수가 작아야 합니다. 체적 탄성계수가 작을수록 유체가 압축될 때 부피 변화가 적어지기 때문에 유압 시스템에서 정확한 작동을 보장할 수 있습니다. 따라서 "체적 탄성계수가 작을 것"이 아닌 것이 유압 작동유에 요구되는 성질이 아닙니다.
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80. 다음 유압회로의 명칭으로 옳은 것은?

  1. 로크 회로
  2. 증압 회로
  3. 무부하 회로
  4. 축압 회로
(정답률: 61%)
  • 이 유압회로는 로크 회로이다. 로크 회로는 유압 실린더나 모터가 움직이는 동안 발생하는 유압 충격을 완화하기 위해 사용되는 회로이다. 이 회로는 유압 실린더나 모터가 움직이는 방향과는 반대 방향으로 유압 오일이 흐르도록 설계되어 있어, 유압 충격을 완화할 수 있다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 200mm 사인바로 10° 각을 만들려면 사인바 양단의 게이지블록의 높이차는 약 몇 mm 이어야 하는가? (단, 경사면과 측정면에 일치한다.)

  1. 34.73mm
  2. 39.70mm
  3. 44.76mm
  4. 49.10mm
(정답률: 38%)
  • 사인바의 길이가 200mm 이므로, 10° 각을 만들기 위해서는 사인바 양단의 높이 차이가 다음과 같아야 합니다.

    높이 차이 = 200mm x sin(10°) = 34.73mm

    여기서 sin(10°)은 10도 각의 사인값을 의미합니다. 따라서 정답은 "34.73mm"입니다.
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82. 최소 측정값이 1/20mm인 버니어캘리퍼스에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 본척의 최소 눈금이 1mm, 부척의 1눈금은 12mm를 25등분한 것
  2. 본척의 최소 눈금이 1mm, 부척의 1눈금은 19mm를 20등분한 것
  3. 본척의 최소 눈금이 0.5mm, 부척의 1눈금은 19mm 를 25등분한 것
  4. 본척의 최소 눈금이 0.5mm, 부척의 1눈금은 24mm 를 20등분한 것
(정답률: 53%)
  • 버니어캘리퍼스는 최소 측정값이 1/20mm이므로, 부척의 1눈금은 19mm를 20등분한 것이 옳은 설명입니다. 이는 부척의 1등분이 0.95mm이 되며, 이를 20등분하면 1/20mm가 됩니다. 따라서, 본척의 최소 눈금이 1mm이고 부척의 1눈금이 19mm를 20등분한 것입니다.
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83. 주조시 탕구의 높이와 유속과의 관계가 옳은 식은? (단, v: 유속(cm/s), h: 탕구의 높이(쇳물이 채워진 높이, cm) g: 중력 가속도(cm/s2), C: 유량계수이다.)

(정답률: 62%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 베르누이의 방정식을 이용하여 유속과 압력의 관계를 나타내면, P + 1/2ρv2 + ρgh = 상수 이다. 여기서 P는 압력, ρ는 유체의 밀도, v는 유속, h는 유체의 높이, g는 중력 가속도이다. 이 식에서 유량계수 C는 상수이므로, 유속과 높이의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다. v = C√(2gh). 따라서, 유속과 높이는 제곱근 관계이다.
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84. 센터리스 연삭의 특징에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 연속작업을 할 수 있어 대량 생산이 용이하다.
  2. 축 방향의 추력이 있으므로 연삭 여유가 커야한다.
  3. 높은 숙련도를 요구하지 않는다.
  4. 키 홈과 같은 긴 홈이 있는 가공물은 연삭이 어렵다.
(정답률: 29%)
  • 센터리스 연삭은 중앙축이 없이 작업물을 연마하는 방식으로, 연속작업이 가능하고 높은 생산성을 가지며, 숙련도가 낮은 작업자도 용이하게 작업할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 축 방향의 추력이 있기 때문에 연삭 여유가 커야하며, 키 홈과 같은 긴 홈이 있는 가공물은 연삭이 어렵다는 단점이 있다. 따라서, "축 방향의 추력이 있으므로 연삭 여유가 커야한다."가 틀린 설명이다.
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85. 두께 2mm의 연강판에 지름 20mm의 구멍을 펀칭하는데 소요되는 동력은 약 몇 kW 인가? (단, 프레스 평균전단속도는 5m/min, 판의 전단응력은 275MPa, 기계효율은 60%이다.)

  1. 3.2
  2. 3.9
  3. 4.8
  4. 5.4
(정답률: 42%)
  • 펀칭 작업에서 필요한 동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동력 = 전단응력 × 전단면적 × 전단속도 × 기계효율

    전단면적은 구멍의 면적과 같으므로,

    전단면적 = π/4 × 지름² = π/4 × 20² = 314.16mm²

    전단속도는 5m/min 이므로, 1초당 전단속도는 5/60 = 0.0833m/s 이다.

    따라서, 동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동력 = 275 × 314.16 × 0.0833 × 0.6 / 1000 = 4.8 kW

    따라서, 정답은 "4.8" 이다.
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86. 구성인선(Built-up edge)의 방지대책으로 틀린 것은?

  1. 칩의 두께를 크게 한다.
  2. 경사각(rake angle)을 크게 한다.
  3. 절삭속도를 크게 한다.
  4. 절삭공구의 인선을 예리하게 한다.
(정답률: 51%)
  • "칩의 두께를 크게 한다."는 오히려 구성인선을 유발할 가능성이 높아지므로 방지대책으로 적합하지 않습니다. 구성인선은 칩이 절삭면에 끼어서 생기는 현상인데, 칩이 두꺼울수록 끼어질 가능성이 높아지기 때문입니다. 따라서 구성인선 방지를 위해서는 칩의 두께를 줄이는 것이 좋습니다.
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87. 지름 4mm의 가는 봉재를 선재인발(wire drawing)하여 3.5mm가 되었다면 단면 감소율은?

  1. 23.4%
  2. 14.2%
  3. 12.5%
  4. 5.7%
(정답률: 24%)
  • 단면 감소율은 (원래 단면 면적 - 변형 후 단면 면적) / 원래 단면 면적 x 100 으로 계산됩니다.

    원래 단면 면적은 (지름/2)^2 x π = (2mm)^2 x π = 4π mm^2 입니다.
    변형 후 단면 면적은 (3.5/2)^2 x π = 3.0625π mm^2 입니다.

    따라서, 단면 감소율은 (4π - 3.0625π) / 4π x 100 = 0.9375 / 4 x 100 = 23.4% 입니다.

    즉, 가는 봉재를 선재인발하여 지름이 4mm에서 3.5mm로 감소할 때 단면 감소율은 23.4%입니다.
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88. 일반적으로 기계가공한 강제품을 열처리하는 목적이 아닌 것은?

  1. 표면을 경화시키기 위한 것이다.
  2. 조직을 안정화시키기 위한 것이다.
  3. 조직을 조대화하여 편석을 발생시키기 위한 것이다.
  4. 경도 및 강도를 증가시키기 위한 것이다.
(정답률: 57%)
  • 열처리는 주로 조직을 안정화시키고, 경화시키며, 경도 및 강도를 증가시키기 위해 사용된다. 하지만 조직을 조대화하여 편석을 발생시키는 것은 열처리의 목적이 아니다. 따라서 정답은 "조직을 조대화하여 편석을 발생시키기 위한 것이다." 이다.
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89. 용접의 분류에서 아크 용접이 아닌 것은?

  1. MIG 용접
  2. TIG 용접
  3. 테르밋 용접
  4. 스터드 용접
(정답률: 37%)
  • 테르밋 용접은 전기 아크를 사용하지 않는 화학 반응에 의해 용접을 수행하는 방법이므로, 아크 용접이 아닙니다. MIG 용접, TIG 용접, 스터드 용접은 모두 전기 아크를 사용하여 용접을 수행하는 방법입니다.
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90. 다음 중 정밀입자에 의한 가공이 아닌 것은?

  1. 호닝
  2. 래핑
  3. 버핑
  4. 버니싱
(정답률: 45%)
  • 정밀입자에 의한 가공은 "호닝", "래핑", "버핑"에 해당하며, "버니싱"은 표면처리 방법으로 정밀입자에 의한 가공이 아니다. 버니싱은 표면에 광택을 부여하거나 보호하기 위해 유리한 표면을 형성하는 과정으로, 일반적으로 액체나 분말 형태의 화학물질을 사용한다.
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91. 2개의 조화운동 x1=3sinwt 와 x2=4coswt의 합성운동을 나타내는 식은?

  1. 5sin(wt+0.869)
  2. 25cos(wt-0.869)
  3. 5sin(wt+0.927)
  4. 25cos(wt-0.927)
(정답률: 28%)
  • 조화운동 x1=3sinwt 와 x2=4coswt의 합성운동을 나타내는 식은 x = x1 + x2 = 3sinwt + 4coswt 이다.

    이를 sin(a+b) = sinacosb + cosasinb의 공식을 이용하여 변형하면, x = 5sin(wt+0.927)가 된다.

    여기서 0.927은 arctan(4/3)으로, x1과 x2의 상대적인 위상차이를 나타낸다. 따라서 합성운동의 위상은 x1과 x2의 위상차이에 따라 결정된다.
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92. 운동방정식이 mx+cx+kx=0인 감쇠 진동계에서 감쇠비 ζ를 나타내는 식이 아닌 것은?

(정답률: 25%)
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93. 네 개의 가는 막대로 구성된 정사각 프레임이 있다. 막대 각각의 질량과 길이는 m과b이고, 프레임은 w의 각속도로 회전하고 질량 중심 G는 v의 속도로 병진운동하고 있다. 프레임의 병진운동에너지와 회전운동에너지가 같아질 때 질량중심 G의 속도는 얼마인가?

(정답률: 34%)
  • 병진운동에너지는 1/2mv^2이고, 회전운동에너지는 1/2Iw^2이다. 여기서 I는 프레임의 모든 막대의 질량 중심에서의 회전관성이다. 이 문제에서는 모든 막대의 길이와 질량이 같으므로, 모든 막대의 질량 중심은 프레임의 중심에 위치하고, I는 1/12mb^2이 된다. 따라서 병진운동에너지와 회전운동에너지가 같아지는 조건은 1/2mv^2 = 1/2(1/12mb^2)w^2 이므로, v = b/6*w이다. 따라서 정답은 ""이다.
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94. 어느 진동계의 운동방정식이 3x+75x=0으로 주어졌다. 여기에서 시간의 단위는 초이다. 이 진동계의 고유진동수 f는 약 몇 Hz인가?

  1. 4
  2. 0.8
  3. 12
  4. 36
(정답률: 36%)
  • 주어진 운동방정식을 간단히 정리하면 3x = -75x이므로 x = 0 또는 x = -25이 된다. 하지만 진동계의 운동은 진폭이 0이 되는 것이 아니므로 x = -25는 제외한다. 따라서 x = 0이 되고, 이는 진동계가 정지 상태에 있음을 의미한다. 따라서 이 진동계는 고유진동수가 없으며, 주어진 보기에서 정답은 "0.8"이 아닌 "해가 없다"이다.
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95. 그림과 같이 원판에서 원주에 있는 점 A의 속도가 12m/s 일 때 원판의 각속도는 몇 rad/s 인가? (단, 원판의 반지름 r은 0.3m 이다.)

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 41%)
  • 원주에 있는 점 A의 속도는 원판의 반지름과 각속도에 비례하므로, v = rω
    따라서, 원판의 각속도는 ω = v/r = 12/0.3 = 40 (rad/s) 이다.

    따라서, 정답은 "40" 이다.
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96. 어떤 사람이 정지 상태에서 출발하여 직선 방향으로 등가속도 운동을 하여 5초 만에 10m/s의 속도가 되었다. 출발하여 5초 동안 이동한 거리는 몇 m 인가?

  1. 5
  2. 10
  3. 25
  4. 50
(정답률: 44%)
  • 등가속도 운동에서 이동한 거리는 다음과 같이 구할 수 있다.

    이동한 거리 = (초기속도 + 최종속도) × 시간 ÷ 2

    여기서 초기속도는 0m/s이고, 최종속도는 10m/s이며, 시간은 5초이다.

    따라서 이동한 거리 = (0m/s + 10m/s) × 5초 ÷ 2 = 25m 이다.

    따라서 정답은 "25"이다.
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97. 자동차가 일정한 속력으로 언덕을 넘어가고 있다. 언덕의 정점에서의 곡률반경은 p이다. 중력가속도 g라 할 때, 이 위치에서 자동차가 지면으로부터 떨어지지 않고 달릴 수 있는 최대속력은 얼마인가?

  1. pg
  2. g/p2
  3. p2g
  4. √pg
(정답률: 31%)
  • 언덕에서 자동차가 지면으로부터 떨어지지 않으려면, 중력과 마찰력이 균형을 이루어야 한다. 따라서 마찰력은 중력과 같은 크기여야 한다. 마찰력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    마찰력 = 질량 × 가속도 × 마찰계수

    여기서 질량은 자동차의 질량이고, 가속도는 중력가속도 g이다. 마찰계수는 지면과 자동차의 마찰계수로, 일반적으로 0.7 정도로 가정할 수 있다.

    따라서 마찰력은 다음과 같다.

    마찰력 = mg × 0.7 = 0.7mg

    자동차가 언덕을 넘어가면서 중력과 마찰력이 모두 작용하므로, 이를 수평방향과 수직방향으로 나누어 생각할 수 있다. 수평방향에서는 마찰력과 도로면의 경사각이 작용하므로, 이를 고려하여 다음과 같이 수평방향의 가속도를 구할 수 있다.

    a = 마찰력 / 질량 = 0.7g

    수직방향에서는 중력과 수직방향의 가속도가 작용하므로, 다음과 같이 수직방향의 가속도를 구할 수 있다.

    a = g sinθ

    여기서 θ는 언덕의 경사각이다. 언덕의 정점에서 곡률반경이 p이므로, 다음과 같은 관계식이 성립한다.

    p = 1 / R

    여기서 R은 곡률반경이다. 따라서 R = 1/p이다. 곡률반경이 작을수록 곡선의 곡률이 커지므로, 이 경우에는 자동차가 더 느리게 움직여야 한다. 따라서 최대속력을 구하려면 곡률반경이 가장 큰 경우를 고려하면 된다. 이 경우에는 곡률반경이 무한대인 직선상에서 달리는 것과 같으므로, 수직방향의 가속도는 0이 된다.

    따라서 g sinθ = 0 이므로, θ = 0이다. 이 경우에는 수평방향의 가속도와 수직방향의 가속도가 서로 독립적으로 작용하므로, 수평방향에서의 가속도는 다음과 같다.

    a = 0.7g

    따라서 자동차가 지면으로부터 떨어지지 않고 달릴 수 있는 최대속력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    v = √(2ad) = √(2 × 0.7g × d)

    여기서 d는 언덕을 넘어가는 거리이다. 이를 p로 나누면 다음과 같다.

    v/p = √(2 × 0.7g / p) = √(1.4g/p)

    따라서 정답은 "√pg"이다.
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98. 그림과 같이 5kg의 칼러(Collar)가 수직막대의 위를 마찰이 없이 미끄러진다. 칼러에 붙여진 스프링은 변형되지 않았을 때 길이가 10cm이고 스프링 상수는 500N/m이다. 칼러가 위치에서 정지 상태에 놓여 있다가 수직 아래로 위치 2까지 20cm를 움직인다. 탄성에너지 변화는 몇 J 인가?

  1. 7.5
  2. 5.0
  3. 2.5
  4. 10.0
(정답률: 23%)
  • 칼러가 위치에서 정지 상태에 놓여 있을 때 탄성에너지는 0이다. 따라서 칼러가 위치 2까지 20cm를 움직인 후의 탄성에너지는 스프링 상수와 변위의 제곱의 곱에 1/2을 곱한 값이다. 변위는 20cm에서 10cm을 뺀 10cm이므로, 탄성에너지는 (500N/m) × (0.1m)² × 1/2 = 2.5J 이다. 따라서 정답은 "5.0"이 아니라 "2.5"이다.
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99. 다음 그림과 같이 질량이 동일한 두 개의 구슬 A,B가 있다. A의 속도는 v이고 B는 정지되어 있다. 충돌후 A와 B의 속도에 관한 설명으로 옳은 것은? (단, 두 구슬 사이의 반발계수는 e=1 이다.)

  1. A와 B 모두 정지한다.
  2. A는 정지하고 B는 v의 속도를 가진다.
  3. A와 B 모두 v의 속도를 가진다.
  4. A와 B 모두 v/2의 속도를 가진다.
(정답률: 45%)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, 충돌 전후의 운동량은 일정합니다. 따라서, A와 B의 운동량의 합은 충돌 전후로 동일합니다. 충돌 전 A의 운동량은 mv이고, B의 운동량은 0입니다. 충돌 후 A와 B의 운동량의 합은 (m+0)×v/2 + m×(-v/2) = 0입니다. 따라서, B의 운동량은 -mv/2이고, 이는 B가 v/2의 속도로 움직인다는 것을 의미합니다. A의 운동량은 0이므로, A는 정지합니다. 따라서, "A는 정지하고 B는 v의 속도를 가진다."가 옳은 설명입니다.
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100. 감쇠비가 인 그림과 같이 1자유도 시스템에서, 질량이 외력에 의하여 조화진동을 하고 있다. 질량 m의 변위 진폭을 가장 크게 하는 고유 각진동수는? (단, 감쇠기가 없을 때의 고유진동수는 wn 이다.)

  1. wn
(정답률: 20%)
  • 감쇠비가 0일 때, 시스템의 고유진동수 wn는 √(k/m)로 주어진다. 이 때, k는 시스템의 탄성계수이고, m은 시스템의 질량이다. 그림에서는 k = mg/L 이므로, wn = √(g/L)이다.

    감쇠비가 0보다 크면, 시스템의 진동은 점차적으로 감소하게 된다. 따라서, 진폭이 가장 크게 되려면 감쇠비가 최소화되어야 한다. 감쇠비가 최소화되는 경우는 감쇠비가 0일 때이므로, 고유진동수 wn와 동일하다. 따라서, 이 문제에서 질량 m의 변위 진폭을 가장 크게 하는 고유 각진동수는 wn = √(g/L)이다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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