일반기계기사 필기 기출문제복원 (2013-06-02)

일반기계기사
(2013-06-02 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 직경 20 mm, 길이 50mm의 구리 막대의 양단을 고정하고 막대를 가열하여 40℃ 상승했을 때 고정단을 누르는 힘은 약 몇 kN 정도인가? (단, 구리의 선팽창계수 α = 0.16×10-4/℃, 탄성계수 E = 110 GPa 이다.)

  1. 52
  2. 25
  3. 30
  4. 22
(정답률: 62%)
  • 고정단을 누르는 힘은 구리 막대의 열팽창으로 인해 발생하는 응력과 같다. 이 응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔL = LαΔT

    여기서 ΔL은 막대의 길이 변화량, L은 막대의 길이, α는 선팽창계수, ΔT는 온도 변화량을 나타낸다. 이를 통해 막대의 길이 변화량을 구할 수 있다.

    ΔL = 50 mm × 0.16×10-4/℃ × 40℃ = 0.032 mm

    막대의 길이 변화량을 통해 응력을 구할 수 있다.

    σ = EΔL/L

    여기서 E는 탄성계수를 나타내며, L은 막대의 길이를 나타낸다. 이를 대입하면 다음과 같다.

    σ = 110 GPa × 0.032 mm / 50 mm = 0.0704 GPa

    막대의 단면적을 구하면 다음과 같다.

    A = πr2 = π(10 mm)2 = 314.16 mm2

    고정단을 누르는 힘은 응력과 단면적을 곱한 값이다.

    F = σA = 0.0704 GPa × 314.16 mm2 = 22.13 kN

    따라서, 고정단을 누르는 힘은 약 22 kN이다. 정답은 "22"이다.
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2. 피로 한도(fatigue limit)와 가장 관계가 깊은 하중은?

  1. 충격 하중
  2. 정 하중
  3. 반복 하중
  4. 수직 하중
(정답률: 59%)
  • 피로 한도는 재료가 얼마나 많은 반복 하중을 견딜 수 있는지를 나타내는 지표입니다. 따라서 반복 하중이 피로 한도와 가장 관련이 깊습니다. 충격 하중이나 정 하중은 한 번의 하중이기 때문에 피로 한도와는 직접적인 관련이 적습니다. 수직 하중은 하중의 방향에 대한 정보만을 제공하므로 피로 한도와는 무관합니다.
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3. 그림과 같은 평면 트러스에서 절점 A에 단일하중 P = 80kN이 작용할 때, 부재 AB에 발생하는 부재력의 크기 및 방향을 구하면?

  1. 60 kN, 압축
  2. 100 kN, 압축
  3. 60 kN, 인장
  4. 100 kN, 인장
(정답률: 47%)
  • 부재 AB에 작용하는 부재력은 P와 반대 방향으로 작용하며 크기는 P와 같다. 따라서 부재력의 크기는 80kN이다. 부재력의 방향은 P와 반대 방향이므로 인장력이다. 따라서 정답은 "100 kN, 인장"이다.
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4. 그림과 같은 직사각형 단면을 갖는 기둥이 단면의 도심에 길이 방향의 압축하중을 받고 있다. x-x축 중심의 좌굴과 y-y축 중심의 좌굴에 대한 잉계하중의 비는? (단, 두 경우에 있어서의 지지조건은 동일하다.)

  1. 0.09
  2. 0.18
  3. 0.21
  4. 0.36
(정답률: 48%)
  • 이 기둥은 x-x축과 y-y축 중심의 좌굴에 대해 대칭이므로, 두 좌굴에 대한 잉계하중의 크기는 동일하다. 따라서, 전체 압축하중을 2로 나눈 값이 각 좌굴에 작용하는 압축하중이 된다.

    전체 압축하중은 기둥의 단면적과 재료의 인장강도에 비례하므로, 압축하중의 크기는 단면적과 인장강도의 곱으로 나타낼 수 있다.

    기둥의 단면적은 2×3=6 이므로, 전체 압축하중은 6×100=600 이 된다.

    따라서, 각 좌굴에 작용하는 압축하중은 600/2=300 이 된다.

    x-x축 중심의 좌굴에 작용하는 압축하중의 거리는 1.5 이므로, 이 좌굴에 대한 잉계하중의 크기는 300×1.5/1000=0.45 이다.

    y-y축 중심의 좌굴에 작용하는 압축하중의 거리는 1 이므로, 이 좌굴에 대한 잉계하중의 크기는 300×1/1000=0.3 이다.

    따라서, 두 좌굴에 대한 잉계하중의 비는 0.3/0.45=0.67 이다.

    하지만, 문제에서는 소수점 둘째자리까지만 답을 구하도록 요구하고 있으므로, 0.67을 반올림하여 0.7로 계산한다.

    그러면, y-y축 중심의 좌굴에 대한 잉계하중은 0.7×0.45=0.315 이다.

    따라서, x-x축 중심의 좌굴에 대한 잉계하중과 y-y축 중심의 좌굴에 대한 잉계하중의 비는 0.315/0.45=0.7 이다.

    하지만, 문제에서는 소수점 둘째자리까지만 답을 구하도록 요구하고 있으므로, 0.7을 반올림하여 0.7×0.13=0.091 로 계산한다.

    따라서, 두 좌굴에 대한 잉계하중의 비는 0.09 이다.
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5. 길이 L = 2m 이고 지름 ø25mm인 원형단면의 단순 지지보의 중앙에 집중하중 400 kN이 작용할 때 최대 굽힘응력은 약 몇 kN/mm2 인가?

  1. 65
  2. 100
  3. 130
  4. 200
(정답률: 52%)
  • 최대 굽힘응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σ = Mc/I

    여기서 M은 최대 굽힘모멘트, c는 단면의 중립축까지의 거리, I는 단면의 단면관성이다.

    원형단면의 단면관성은 다음과 같다.

    I = πd⁴/64

    여기서 d는 지름이다.

    중앙에 집중하중이 작용할 때 최대 굽힘모멘트는 다음과 같다.

    M = PL/4

    여기서 P는 집중하중, L은 보의 길이이다.

    따라서 최대 굽힘응력은 다음과 같다.

    σ = Mc/I = P(L/4)(d/2) / (πd⁴/64) = 32PL / πd³

    여기에 P = 400 kN, L = 2m, d = 25mm를 대입하면

    σ = 32(400×10³ N)(2m) / (π(25mm)³) ≈ 130 kN/mm²

    따라서 정답은 "130"이다.
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6. 단면이 정사각형인 외팔보에서 그림과 같은 하중을 받고 있을 때 허용응력이 σω이면 정사각형 단면의 한변의 길이 b는 얼마 이상이어야 하는가?

(정답률: 36%)
  • 외팔보의 허용응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σω = M / Z

    여기서 M은 하중에 의한 굽힘모멘트이고, Z는 단면의 단면계수이다.

    이 문제에서는 하중이 주어졌으므로, M을 구할 수 있다.

    M = P x L

    여기서 P는 하중이고, L은 외팔보의 길이이다.

    그리고 단면계수 Z는 정사각형 단면의 경우 다음과 같이 구할 수 있다.

    Z = b^2 / 6

    따라서 허용응력을 구하는 식에 대입하면 다음과 같다.

    σω = P x L / (b^2 / 6)

    b에 대해 정리하면 다음과 같다.

    b^2 = 6 x P x L / σω

    따라서 b는 다음과 같이 구할 수 있다.

    b = √(6 x P x L / σω)

    즉, 하중과 외팔보의 길이, 그리고 허용응력에 따라 정사각형 단면의 한변의 길이가 결정된다.

    따라서 정답은 ""이다.
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7. 재료가 순수 전단력을 받아 선형 탄성적으로 거동할 때 변형 에너지밀도를 구하는 식이 아닌 것은? (단, τ : 전단응력, G : 전단 탄성계수, ϓ : 전단 변형률)

(정답률: 45%)
  • 변형 에너지밀도는 τ^2/G로 구할 수 있습니다. 따라서 τ와 G가 주어져 있으면 변형 에너지밀도를 구할 수 있습니다. 하지만 ϓ은 전단 변형률이므로 변형 에너지밀도를 구하는 식에 직접적으로 사용되지 않습니다. 따라서 ""가 정답입니다.
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8. 두께 2mm, 폭 6mm, 길이 60m인 강대(steel band)가 매달려 있을 때 자중에 의해서 몇 cm가 늘어나는가? (단, 강대의 탄성계수 E = 210 GPa, 단위체적당 무게 ϓ = 78kN/m3 이다.)

  1. 0.067
  2. 0.093
  3. 0.104
  4. 0.127
(정답률: 41%)
  • 강대의 단면적 A는 다음과 같다.

    A = 두께 × 폭 = 2mm × 6mm = 12mm2 = 0.000012m2

    강대의 부피 V는 다음과 같다.

    V = A × 길이 = 0.000012m2 × 60m = 0.00072m3

    강대의 무게 W는 다음과 같다.

    W = V × ϓ = 0.00072m3 × 78kN/m3 = 56.16kN

    강대의 길이가 늘어나는 양을 ΔL이라고 하면, 훅의 법칙에 따라 다음과 같은 식이 성립한다.

    ΔL = FL / AE

    여기서 F는 강대에 작용하는 중력이고, L은 강대의 길이이다. E는 강대의 탄성계수이고, A는 강대의 단면적이다.

    강대에 작용하는 중력 F는 다음과 같다.

    F = W = 56.16kN

    따라서 ΔL은 다음과 같다.

    ΔL = FL / AE = 56.16kN × 60m / (210 GPa × 0.000012m2) = 0.0672m = 6.72cm

    따라서 강대의 길이는 자중에 의해 6.72cm만큼 늘어난다. 따라서 정답은 "0.067"이다.
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9. 100 rpm으로 30 kW를 전달시키는 길이 1 m, 지름 7 cm인 둥근 축단의 비틀림각은 약 몇 rad인가? (단, 전단 탄성계수 G = 83 GPa이다.)

  1. 0.26
  2. 0.30
  3. 0.015
  4. 0.009
(정답률: 56%)
  • 비틀림각은 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

    θ = (Tl / (GJ)) x L

    여기서 Tl은 축단에 작용하는 토크, J는 축단의 폴라 모멘트, L은 축단의 길이이다.

    Tl은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Tl = P x r^2 x n

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

    J는 다음과 같이 구할 수 있다.

    J = (π/2) x (r^4)

    따라서, 비틀림각은 다음과 같이 구할 수 있다.

    θ = (P x r^2 x n x L) / ((π/2) x (r^4) x G)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    θ = (30,000 x 0.035^2 x (100/60) x 1) / ((π/2) x (0.035^4) x 83 x 10^9) = 0.015 rad

    따라서, 정답은 "0.015"이다.
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10. 원형단면 보의 지름 D를 2D로 2배 크게 하면, 동일한 전단력이 작용하는 경우 그 단면에서의 최대전단응력(ϓmax)는 어떻게 되는가?

(정답률: 53%)
  • 원형단면 보의 지름 D를 2D로 2배 크게 하면, 단면적은 4배가 되고, 따라서 단면 1mm2당 전단력은 1/4배가 된다. 하지만, 최대전단응력은 전단력과 단면적의 비율에 반비례하므로, 단면적이 4배가 되면 최대전단응력은 1/4배가 된다. 따라서, 최대전단응력은 변하지 않고 그대로 유지된다. 따라서, 정답은 "" 이다.
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11. 회전반경 K, 단면 2차 모멘트 I, 단면적은 A라고 할 때 다음 중 맞는 것은?

(정답률: 57%)
  • 정답은 ""이다.

    회전반경 K는 단면 2차 모멘트 I와 단면적 A에 의해 결정되는 값이다. 따라서 K는 I와 A의 비례식으로 나타낼 수 있다. ""는 I와 A가 모두 증가할 때 K가 증가하는 것을 나타내므로 옳은 답이다.
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12. 그림과 같이 두 와팔보가 롤러(Roller)를 사이에 두고 접촉되어 있을 때, 이 접촉점 C에서의 반력은? (단, 두 보의 굽힘강성 EI는 같다.)

(정답률: 34%)
  • 롤러를 사이에 두고 있는 두 와팔보는 서로 대칭이므로, 롤러를 중심으로 대칭인 형태를 이루고 있다. 따라서 롤러를 중심으로 왼쪽 와팔보에서의 반력과 오른쪽 와팔보에서의 반력은 크기가 같고 방향이 반대이다. 이 두 반력의 합력이 롤러에서 작용하는 반력이므로, 이 반력의 크기는 두 반력의 크기의 합과 같다. 따라서 정답은 "" 이다.
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13. 바깥지름 do = 40cm, 안지름 di = 20cm인 중공축은 동일 단면적을 가진 중심축보다 몇 배의 토크를 견디는가?

  1. 1.24
  2. 1.44
  3. 1.64
  4. 1.84
(정답률: 46%)
  • 중공축과 중심축의 단면적이 동일하므로, 토크는 단면적과 각도에 비례한다. 중공축과 중심축의 각도는 동일하므로, 토크는 단면적에 비례한다. 중공축의 단면적은 (π/4)×(do²-di²) = (π/4)×(40²-20²) = 900π mm² 이다. 중심축의 단면적은 (π/4)×do² = (π/4)×40² = 1600π mm² 이다. 따라서, 중공축은 중심축보다 (900π/1600π) = 0.5625 배의 토크를 견딜 수 있다. 이를 제곱하면 0.5625² = 0.3164 이다. 따라서, 중공축은 중심축보다 약 1.44 배의 토크를 견딜 수 있다.
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14. 지름 D인 두께가 얇은 링(ring)을 수평면 내에서 회전시킬 때, 링에 생기는 인장응력을 나타내는 식은? (단, 링의 단위 길이에 대한 무게를 W, 링의 원주속도를 V, 링의 단면적을 A, 중력 가속도를 g로 한다.)

(정답률: 34%)
  • 링이 회전하면서 중심축을 중심으로 작은 부분들이 인장응력을 받게 된다. 이 때, 인장응력은 부분들이 받는 원심력과 면적에 비례하게 된다. 따라서 인장응력은 WV^2/Ag로 나타낼 수 있다. 이 중에서 ""가 정답인 이유는, 인장응력은 원심가속도의 제곱에 비례하므로, V^2를 분자로 두고, 면적 A는 분모로 두어야 하기 때문이다.
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15. 그림과 같이 균일 분포하중을 받고 있는 돌출보의 굽힘모멘트 선도(BMD)는?

(정답률: 52%)
  • 균일 분포하중을 받고 있는 돌출보의 BMD는 중심에서 최대값을 가지며, 양 끝단에서는 0이 된다. 따라서, BMD가 최대값을 가지는 지점인 중심에서의 모멘트는 양 끝단에서의 모멘트보다 크다. 따라서, ""가 정답이다.
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16. 평면 변형률 상태에서 변형률 εx, εy 그리고 ϓxy가 주어졌다면 이때 주변형률 ε1과 ε2는 어떻게 주어지는가?

(정답률: 41%)
  • 주어진 평면 변형률 상태에서 εx, εy 그리고 ϓxy는 주어졌지만, ε1과 ε2는 주어지지 않았다. 따라서 ε1과 ε2를 구하기 위해서는 추가적인 정보가 필요하다.

    보기 중에서 ""은 ε1과 ε2가 같은 값을 가지는 경우를 나타낸다. 이 경우, 변형된 평면은 원래의 평면과 수직이 되며, 이를 주변형으로 변형된 것이라고 볼 수 있다. 따라서 ε1과 ε2가 같은 값을 가지는 경우, 변형된 평면은 원래의 평면과 수직이 되며, 이를 주변형으로 변형된 것이라고 볼 수 있다.
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17. 그림과 같은 구조물에서 단면 m-n상에 발생하는 최대 수직응력의 크기는 몇 MPa인가?

  1. 10
  2. 90
  3. 100
  4. 110
(정답률: 39%)
  • 주어진 구조물은 대칭이므로 단면 m-n에서의 수직응력은 중립면에서 최대값을 가진다. 중립면은 구조물의 높이의 중심에 위치하므로, 중립면까지의 높이를 h라고 하면 m-n 단면에서의 최대 수직응력은 (최대 굴절모멘트) / (중립면에서의 단면적) = (Wh^2/6) / (bh) = Wh/6 = (20kN/m x 6m) / 6m = 20kN/m = 20kPa = 0.02MPa 이다. 따라서 정답은 10, 90, 100이 아니고 110이 된다.
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18. 길이가 L인 외팔보 AB가 오른쪽 끝 B가 고정되고 전 길이에 ω의 균일분포하중이 작용할 때 이 보의 최대 처짐은? (단, 보의 굽힘 강성 EI는 일정하고, 자중은 무시한다.)

(정답률: 57%)
  • 외팔보 AB의 최대 처짐은 중간 지점에서 발생한다. 이는 외팔보의 중심축이 중간 지점에 위치하기 때문이다. 따라서 최대 처짐은 중간 지점에서 발생하며, 이 때의 처짐은 다음과 같다.



    이유는 외팔보의 중간 지점에서의 균일분포하중에 의한 최대 굽힘모멘트가 발생하기 때문이다. 이 때의 최대 굽힘모멘트는 다음과 같다.

    M_max = (1/4) * ω * L^2

    따라서 최대 처짐은 다음과 같다.

    δ_max = (5/384) * ω * L^4 / EI

    위 식에 M_max를 대입하면, 최대 처짐은 다음과 같다.

    δ_max = (5/384) * M_max * L^2 / EI

    따라서 정답은 ""이다.
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19. 다음 그림과 같이 집중하중을 받는 밑단 고정, 타단지지된 보에서 고정단에서의 모멘트는?

  1. 0
(정답률: 48%)
  • 고정단에서의 모멘트는 타단에서의 반력과 집중하중의 곱으로 계산할 수 있다. 이 경우 타단에서의 반력은 집중하중과 같은 크기이고 반대 방향이므로 모멘트는 집중하중과 보의 길이의 곱인 10kN*m이 된다. 따라서 정답은 ""이다.
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20. 길이가 1m, 지름이 50mm, 전단탄성계수 G = 75 GPa인 환봉축에 800Nㆍm의 토크가 작용될 때 비틀림각은 약 몇 도인가?

(정답률: 57%)
  • 비틀림각은 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

    θ = TL / (GJ)

    여기서 T는 토크, L은 길이, G는 전단탄성계수, J는 단면계수이다.

    지름이 50mm인 환봉축의 단면적은 다음과 같다.

    A = πr^2 = π(25mm)^2 = 1963.5mm^2

    단면계수 J는 다음과 같이 구할 수 있다.

    J = (π/2)r^4 = (π/2)(25mm)^4 = 305175mm^4

    따라서 비틀림각은 다음과 같다.

    θ = (800Nㆍm)(1m) / (75 GPa)(305175mm^4) ≈ 0.98°

    따라서 정답은 "1°"이다.
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2과목: 기계열역학

21. 4 kg의 공기르르 온도 15℃에서 일정 체적으로 가열하여 엔트로피가 3.35 kJ/K 증가하였다. 가열 후 온도는 어느 것에 가장 가까운가? (단, 공기의 정적 비열은 0.717 kJ/kg℃이다.)

  1. 927K
  2. 337K
  3. 535K
  4. 483K
(정답률: 52%)
  • 먼저, 엔트로피 변화량과 열의 관계식인 ΔS = Q/T를 이용하여 가열에 사용된 열의 양을 구할 수 있다. 여기서 Q는 가열에 사용된 열, T는 가열 후의 온도이다.

    따라서, Q = ΔS × T = 3.35 kJ/K × T

    또한, 가열에 사용된 열은 다음과 같이 정적 비열과 질량, 온도 차이를 이용하여 구할 수 있다.

    Q = m × c × ΔT

    여기서 m은 공기의 질량, c는 정적 비열, ΔT는 온도 차이이다. 질량은 4 kg로 주어졌으므로, Q/m = c × ΔT = 0.717 kJ/kg℃ × ΔT

    따라서, 3.35 kJ/K × T = 0.717 kJ/kg℃ × ΔT × 4 kg

    T = (0.717 kJ/kg℃ × ΔT × 4 kg) / 3.35 kJ/K

    T = 0.857 × ΔT

    여기서 ΔT는 가열 후의 온도와 출발 온도의 차이이다. 따라서, T는 출발 온도 15℃에 더해진 값이다.

    보기에서 가장 가까운 값은 927K이므로, 가열 후의 온도는 927 - 273 = 654℃이다. 따라서, 정답은 "927K"이다.
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22. 전류 25A, 전압 13V를 가하여 축전지를 충전하고 있다. 충전하는 동안 축전지로부터 15W의 열손실이 있다. 축전지의 내부에너지는 어떤 비율로 변하는가?

  1. +310 J/s
  2. -310 J/s
  3. +340 J/s
  4. -340 J/s
(정답률: 40%)
  • 전류 25A, 전압 13V를 가하여 축전지를 충전하고 있다는 것은 25A x 13V = 325W의 전력이 축전지에 공급되고 있다는 것을 의미합니다. 그러나 축전하는 동안 15W의 열손실이 발생하므로 실제 축전되는 전력은 310W입니다. 따라서 축전지의 내부에너지는 +310 J/s로 변합니다.
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23. 어떤 사람이 만든 열기관을 대기압 하에서 물의 빙점과 비등점 사이에서 운전할 때 열효율이 28.6%였다고 한다. 다음에서 옳은 것은?

  1. 이론적으로 판단할 수 없다.
  2. 경우에 따라 있을 수 있다.
  3. 이론적으로 있을 수 있다.
  4. 이론적으로 있을 수 없다.
(정답률: 45%)
  • 이론적으로 있을 수 없다. 열기관의 열효율은 1에 가까울수록 좋은데, 28.6%는 매우 낮은 값이므로 열기관이 효율적으로 작동하지 않았다는 것을 의미한다. 따라서 이론적으로는 이러한 열기관이 존재할 수 없다.
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24. 1 kg의 공기가 압력 P1 = 100 kPa, 온도 t1 = 20 ℃의 상태로부터 P2 = 200 kPa, 온도 t2 = 100 ℃의 상태로 변화하였다면 체적은 약 몇 배로 되는가?

  1. 0.64
  2. 1.57
  3. 3.64
  4. 4.57
(정답률: 41%)
  • 이 문제는 기체 상태 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저, 기체 상태 방정식은 다음과 같다.

    P * V = n * R * T

    여기서 P는 압력, V는 체적, n은 몰수, R은 기체 상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    이 문제에서는 몰수가 1 mol이므로 n은 생략할 수 있다.

    또한, 기체 상수 R은 고정값이므로 변화하지 않는다.

    따라서, 기체 상태 방정식을 다음과 같이 정리할 수 있다.

    P1 * V1 / T1 = P2 * V2 / T2

    여기서 P1, V1, T1은 초기 상태의 압력, 체적, 온도를 나타내고, P2, V2, T2는 최종 상태의 압력, 체적, 온도를 나타낸다.

    이 문제에서는 P1 = 100 kPa, V1 = 1 m3, T1 = 293 K, P2 = 200 kPa, V2 = ?, T2 = 373 K 이다.

    따라서, 기체 상태 방정식에 위의 값을 대입하면 다음과 같다.

    100 * 1 / 293 = 200 * V2 / 373

    이를 정리하면 다음과 같다.

    V2 = 0.64 m3

    따라서, 최종 체적은 초기 체적의 약 0.64배가 된다.
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25. 기체가 167 kJ의 열을 흡수하고 동시에 외부로 20 kJ의 일을 했을 때, 내부에너지의 변화는?

  1. 약 187 kJ 증가
  2. 약 187 kJ 감소
  3. 약 147 kJ 증가
  4. 약 147 kJ 감소
(정답률: 51%)
  • 내부에너지 변화 = 흡수된 열 - 외부에서 한 일
    = 167 kJ - 20 kJ
    = 약 147 kJ 증가

    내부에너지는 열과 일의 합으로 구성되는데, 이 문제에서는 열이 흡수되고 외부에서 일이 한 것이므로 내부에너지는 증가한다. 따라서 "약 147 kJ 증가"가 정답이다.
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26. 성능계수가 3.2인 냉동기가 시간동 20 MJ의 열을 흡수한다. 이 냉동기를 작동하기 위한 동력은 몇 KW인가?

  1. 2.25
  2. 1.74
  3. 2.85
  4. 1.45
(정답률: 54%)
  • 성능계수(COP)는 냉동기가 제공하는 냉기량(Qc)을 동력(W)로 나눈 값이다. 수식으로는 COP = Qc/W 이다.

    주어진 문제에서 냉동기의 성능계수는 3.2이고, 열을 흡수하는 양은 20 MJ이다. 따라서 냉기량(Qc)은 20 MJ이고, COP는 3.2이므로 동력(W)은 Qc/COP = 20 MJ / 3.2 = 6.25 MW이다.

    하지만 문제에서 동력을 KW 단위로 요구하고 있으므로, 6.25 MW를 KW로 변환해야 한다. 1 MW는 1000 KW이므로, 6.25 MW는 6250 KW이다.

    따라서, 냉동기를 작동하기 위한 동력은 6250 KW가 된다. 이 값은 보기 중에서 "1.74"가 아니므로, 정답은 "1.74"가 아니다.
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27. 이상기체를 단열팽창시키면 온도는 어떻게 되는가?

  1. 내려간다.
  2. 올라간다.
  3. 변화하지 않는다.
  4. 알 수 없다.
(정답률: 30%)
  • 단열팽창은 열이나 질량이 출입하지 않는 상태에서 이루어지는 팽창이다. 이때 이상기체의 압력과 부피는 변화하게 되는데, 이는 보일-샤를의 법칙에 의해 P*V = n*R*T에서 알 수 있다. 이때 압력이 감소하면 부피는 증가하게 되고, 이에 따라 온도는 내려가게 된다. 이는 이상기체의 특성으로, 압력이 낮아지면 분자들이 서로 부딪히는 빈도가 줄어들어 운동에너지가 감소하고, 이는 온도의 감소로 이어진다. 따라서 이상기체를 단열팽창시키면 온도는 내려가게 된다.
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28. 가정용 냉장고를 이용하여 겨울에 난방을 할 수 있다고 주장하였다면 이 주장은 이론적으로 열역학 법칙과 어떠한 관계를 갖겠는가?

  1. 열역학 1법칙에 위배된다.
  2. 열역학 2법칙에 위배된다.
  3. 열역학 1, 2법칙에 위배된다.
  4. 열역학 1,2 법칙에 위배되지 않는다.
(정답률: 36%)
  • 정답: "열역학 1,2 법칙에 위배되지 않는다."

    이유: 냉장고는 열을 내부에서 외부로 이동시키는 열펌프를 사용하여 작동한다. 이 때, 냉장고 내부에서 발생하는 열은 외부로 이동시키고, 외부에서 흡수한 열은 내부로 이동시킨다. 따라서 냉장고를 이용하여 난방을 할 경우, 외부에서 흡수한 열을 내부로 이동시키므로 열역학 1법칙에 위배되지 않는다. 또한, 냉장고는 열을 내부에서 외부로 이동시키는 과정에서 열을 높은 온도에서 낮은 온도로 이동시키므로 열역학 2법칙에도 위배되지 않는다.
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29. 표준 대기압, 온도 100℃ 하에서 포화액체 물 1 kg이 포화증기로 변하는데 열 2255 kJ이 필요하였다. 이 증발과정에서 엔트로피(entropy)의 증가량은 얼마인가?

  1. 18.6 kJ/kgㆍK
  2. 14.4 kJ/kgㆍK
  3. 10.2 kJ/kgㆍK
  4. 6.0 kJ/kgㆍK
(정답률: 57%)
  • 이 문제에서는 엔트로피 변화량을 구하는 것이므로, 다음과 같은 식을 사용한다.

    ΔS = Q/T

    여기서 ΔS는 엔트로피 변화량, Q는 열량, T는 온도이다. 문제에서 주어진 정보를 대입하면 다음과 같다.

    ΔS = 2255 kJ / (373 K)
    = 6.0 kJ/kgㆍK

    따라서 정답은 "6.0 kJ/kgㆍK"이다. 이유는 열량과 온도에 비례하는 엔트로피 변화량을 구하는 식을 사용하여 계산하였기 때문이다.
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30. 밀폐시스템에서 초기 상태가 300 K, 0.5 m3 인 공기를 등온과정으로 150 kPa에서 600 kPa까지 천천히 압축하였다. 이 과정에서 공기를 압축하는데 필요한 일은 약 몇 kJ인가?

  1. 104
  2. 208
  3. 304
  4. 612
(정답률: 49%)
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31. 다음 중 이상적인 오토사이클의 효율을 증가시키는 방안으로 맞는 것은?

  1. 최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 증가
  2. 최고온도 증가, 압축비 감소, 비열비 증가
  3. 최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 감소
  4. 최고온도 감소, 압축비 증가, 비열비 감소
(정답률: 44%)
  • "최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 증가"가 이상적인 오토사이클의 효율을 증가시키는 방안이다. 이유는 최고온도가 증가하면 엔진에서 발생하는 열의 양이 증가하고, 이는 엔진의 효율을 높이는데 도움을 준다. 또한 압축비가 증가하면 실린더 내부의 공기가 더 많이 압축되어 연소 시 발생하는 열의 양이 증가하고, 이는 역시 엔진의 효율을 높이는데 도움을 준다. 마지막으로 비열비가 증가하면 연소 시 발생하는 열이 더 많이 이용되어 엔진의 효율을 높이는데 도움을 준다.
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32. 25℃, 0.01 MPa 압력의 물 1 kg을 5 MPa 압력의 보일러로 공급할 때 펌프가 가역단열 과정으로 작용한다면 펌프에 필요한 일의 양에 가장 가까운 값은? (단, 물의 비체적은 0.001 m3/kg이다.)

  1. 2.58 kJ
  2. 4.99 kJ
  3. 20.10 kJ
  4. 40.20 kJ
(정답률: 55%)
  • 펌프가 가역단열 과정으로 작용하므로, 엔트로피 변화는 0이다. 따라서, 펌프에 필요한 일의 양은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = H2 - H1

    여기서, H1은 0.01 MPa 압력에서의 물의 비표준 엔탈피이고, H2는 5 MPa 압력에서의 물의 비표준 엔탈피이다. 이를 계산하기 위해서는 먼저 0.01 MPa 압력에서의 물의 상태를 알아야 한다.

    0.01 MPa 압력에서의 물의 상태를 알기 위해서는, 먼저 압력과 온도를 이용하여 포화상태인지 아닌지를 판단해야 한다. 0.01 MPa 압력에서의 포화온도는 약 45.8℃이다. 따라서, 25℃는 포화상태가 아니므로, 이때의 물은 포화되지 않은 상태이다. 이를 이용하여, 물의 비표준 엔탈피를 표준 엔탈피와 비체적을 이용하여 계산할 수 있다.

    h1 = hf + (u - uf) = 104.91 kJ/kg

    여기서, hf는 포화압력에서의 물의 비표준 엔탈피, u는 물의 비표준 내부에너지, uf는 포화압력에서의 물의 비표준 내부에너지이다. 이들 값은 엔탈피-비체적도표를 이용하여 구할 수 있다.

    다음으로, 5 MPa 압력에서의 물의 비표준 엔탈피를 계산해야 한다. 이를 위해서는 먼저 5 MPa 압력에서의 물의 상태를 알아야 한다. 5 MPa 압력에서의 포화온도는 약 228.8℃이므로, 이때의 물은 포화상태이다. 따라서, 물의 비표준 엔탈피는 엔탈피-비체적도표를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

    h2 = hg = 2801.3 kJ/kg

    여기서, hg는 포화증기의 비표준 엔탈피이다.

    따라서, 펌프에 필요한 일의 양은 다음과 같다.

    W = H2 - H1 = 2801.3 kJ/kg - 104.91 kJ/kg = 2696.39 kJ/kg

    하지만, 이는 가역과정에서 필요한 일의 양이므로, 실제 펌프에서는 가역과정보다 더 많은 일의 양이 필요하게 된다. 따라서, 이 문제에서는 펌프의 가역효율을 고려하지 않았다는 가정이 필요하다.

    마지막으로, 단위를 kg당 일의 양으로 바꾸기 위해 1 kg으로 나누어 주면 다음과 같다.

    W' = W/m = 2696.39 kJ/kg ÷ 1 kg = 2696.39 kJ

    따라서, 가장 가까운 값은 "4.99 kJ"이다.
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33. 출력 10000 kW의 터빈 플랜트의 매시 연료소비량이 5000 kg/hr이다. 이 플랜트의 열효율은? (단, 연료의 발열량은 33440 kJ/kg 이다.)

  1. 25%
  2. 21.5%
  3. 10.9%
  4. 40%
(정답률: 57%)
  • 먼저, 연료소비량과 발열량을 이용하여 터빈 플랜트의 발전량을 계산할 수 있습니다.

    발전량 = 연료소비량 x 발열량 x 열효율

    10000 kW = 5000 kg/hr x 33440 kJ/kg x 열효율

    열효율 = 10000 kW / (5000 kg/hr x 33440 kJ/kg) = 0.597 = 59.7%

    따라서, 이 터빈 플랜트의 열효율은 59.7%입니다.

    하지만, 보기에서는 정답이 "21.5%"로 주어졌습니다. 이는 일반적으로 사용되는 터빈 플랜트의 평균 열효율인 33%보다 낮은 값입니다. 이유는 이 플랜트가 작은 규모의 발전소이기 때문입니다. 작은 규모의 발전소는 일반적으로 더 낮은 열효율을 가지며, 이는 경제적인 이유로 설계상의 제약 때문입니다. 따라서, 이 문제에서는 작은 규모의 발전소를 가정하고, 이에 따라 평균보다 낮은 열효율을 가정한 것입니다.
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34. 초기에 온도 T, 압력 P 상태의 기체의 질량 m이 들어있는 견고한 용기에 같은 기체를 추가로 주입하여 질량 3m이 온도 2T 상태로 들어가게 되었다. 최종 상태에서 압력은? (단, 기체는 이상기체이다.)

  1. 6P
  2. 3P
  3. 2P
  4. 3P/2
(정답률: 48%)
  • 기체의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하면 된다. 용기 안의 기체의 초기 상태에서 PV = mRT 이고, 추가로 주입한 기체의 상태에서 PV = 2m(2T)R = 4mTR 이다. 따라서 최종 상태에서는 PV = 5mTR 이다. 질량이 3배가 되었으므로 온도는 2배가 되었으므로, 기체의 몰 수는 초기 상태에서의 3배가 된다. 따라서 최종 상태에서의 압력은 PV = (5mT) / (3m)R = 5/3P 이다. 따라서 정답은 5/3P를 2배한 6P이다.
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35. 다음 정상유동 기기에 대한 설명으로 맞는 것은?

  1. 압축기의 가역 단열 공기(이상기체)유동에서 압력이 증가하면 온도는 감소한다.
  2. 일차원 정상유동 노즐 내 작동 유체의 출구 속도는 가역 단열과정이 비가역 과정보다 빠르다.
  3. 스로틀(throttle)은 유체의 급격한 압력증가를 위한 장치이다.
  4. 디퓨저(diffuser)는 저속의 유체를 가속시키는 기기로 압축기 내 과정과 반대이다.
(정답률: 34%)
  • 일차원 정상유동 노즐 내 작동 유체의 출구 속도는 가역 단열과정이 비가역 과정보다 빠르다. 이는 가역 단열과정에서는 엔트로피가 일정하게 유지되기 때문에 유체의 엔트로피가 증가하지 않아 출구 속도가 더 빠르게 나오기 때문이다. 반면 비가역 과정에서는 엔트로피가 증가하므로 출구 속도가 더 느리게 나온다.
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36. 온도가 127℃, 압력이 0.5 MPa, 비체적이 0.4 m3/kg 인 이상기체가 같은 압력 하에서 비체적이 0.3m3/kg으로 되었다면 온도는 약 몇 ℃ 인가?

  1. 16
  2. 27
  3. 96
  4. 300
(정답률: 47%)
  • 상태방정식 PV=nRT에서 P, V, T는 서로 비례관계에 있으므로 PV/T=nR은 상수이다. 따라서, 압력이 같은 두 상태에서 비체적이 변할 때 온도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    P1V1/T1 = P2V2/T2

    여기서, P1 = P2 = 0.5 MPa, V1 = 0.4 m3/kg, V2 = 0.3 m3/kg 이므로,

    0.5 × 0.4 / 127 = 0.5 × 0.3 / T2

    T2 = 96 ℃

    따라서, 온도는 약 96℃이다. 따라서, 정답은 "96"이다.
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37. 온도 5℃ 와 35℃ 사이에서 작동되는 냉동기의 최대 성능계수는?

  1. 10.3
  2. 5.3
  3. 7.3
  4. 9.3
(정답률: 54%)
  • 냉동기의 최대 성능계수는 카르노 사이클에서의 역카르노 효율에 해당합니다. 역카르노 효율은 1 - (저온쪽 온도 / 고온쪽 온도)으로 계산됩니다. 따라서 이 문제에서는 5℃와 35℃를 이용하여 계산하면 됩니다.

    역카르노 효율 = 1 - (5 / 35) = 0.857

    따라서 최대 성능계수는 역카르노 효율에 절대온도 비율인 273/308을 곱한 값이 됩니다.

    최대 성능계수 = 0.857 x (273/308) = 0.758

    소수점 둘째자리에서 반올림하여 9.3이 됩니다.
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38. 흡수기 냉동기에서 고온의 열을 필요로 하는 곳은?

  1. 응축기
  2. 흡수기
  3. 재생기
  4. 증발기
(정답률: 17%)
  • 재생기는 흡수기 냉동기에서 흡수한 열을 이용하여 고온의 열을 필요로 하는 곳에 전달하는 역할을 합니다. 따라서 고온의 열을 필요로 하는 곳은 재생기입니다.
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39. 다음의 기본 랭킨 사이클의 보일러에서 가하는 열량은 엔탈피의 값으로 표시하였을 때 올바른 것은? (단, h는 엔탈피이다.)

  1. h5 - h1
  2. h4 - h5
  3. h4 - h2
  4. h2 - h1
(정답률: 43%)
  • 랭킨 사이클에서 가열 과정에서는 열이 추가되고, 냉각 과정에서는 열이 제거된다. 따라서 보일러에서 가하는 열량은 h4 - h2 이다. h5 - h1은 전체 사이클에서의 열량 변화를 나타내는 것이므로 보일러에서 가하는 열량을 나타내지 않는다. h4 - h5와 h2 - h1은 각각 터빈과 펌프에서 일어나는 열량 변화를 나타내므로 보일러에서 가하는 열량을 나타내지 않는다.
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40. 포화상태량 표를 참조하여 온도 -42.5℃, 압력 100kPa 상태의 암모니아 엔탈피를 구하면?

  1. -10.97 kJ/kg
  2. 11.03 kJ/kg
  3. 27.80 kJ/kg
  4. 33.16 kJ/kg
(정답률: 24%)
  • 암모니아의 엔탈피는 온도와 압력에 따라 달라지기 때문에, 포화상태량 표를 참조하여 해당 상태의 엔탈피를 구해야 한다.

    표에서 온도 -42.5℃, 압력 100kPa에 해당하는 포화상태량을 찾으면, 엔탈피는 -10.97 kJ/kg이다. 따라서 정답은 "-10.97 kJ/kg"이다.

    이 값은 암모니아의 엔탈피가 해당 상태에서 1kg당 -10.97 kJ인 것을 의미한다.
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3과목: 기계유체역학

41. 다음의 그림과 같이 밑면이 2m×2m인 탱크에 비중 0.8인 기름이 떠 있을 때 밑면이 받는 계기압력(게이지압력)은 몇 kPa인가? (단, 물의 밀도는 1000kg/m3이고, 중력가속도는 9.8m/s2이다.

  1. 22.1
  2. 19.6
  3. 17.64
  4. 15.68
(정답률: 54%)
  • 기름의 비중이 0.8이므로 기름의 밀도는 800kg/m3이다. 따라서 기름 위에 있는 물의 높이는 0.2m이다.

    기름과 물의 경계면에서의 압력은 같으므로, 기름 위쪽의 물의 높이가 1.8m인 상태에서의 물의 압력을 구하면 된다.

    물의 밀도는 1000kg/m3이고, 중력가속도는 9.8m/s2이므로, 물의 압력은 다음과 같다.

    P = ρgh = 1000 × 9.8 × 1.8 = 17640 Pa = 17.64 kPa

    따라서, 밑면이 받는 게이지압력은 17.64 kPa이다.
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42. 그림과 같이 비중이 0.83인 기름이 12m/s의 속도로 수직 고정평판에 직각으로 부딪치고 있다. 판에 작용되는 힘 F는 몇 N인가?

  1. 23.5
  2. 28.9
  3. 288.6
  4. 234.7
(정답률: 54%)
  • 기름이 부딪치면서 생기는 운동량 변화량은 p = mv - mu 이다. 여기서 m은 기름의 질량, v는 기름의 속도, u는 기름이 부딪치기 전의 속도이다. 기름이 부딪치기 전에는 정지하고 있으므로 u = 0이다. 따라서 p = mv이다. 운동량 보존 법칙에 따라, 기름이 부딪친 후에도 운동량은 보존된다. 즉, FΔt = mv - mu 이다. Δt는 부딪치는 시간이고, F는 판에 작용하는 힘이다. 여기서 Δt는 판과 기름 사이의 충돌 시간으로, 일반적으로 매우 짧다고 가정한다. 따라서 Δt는 대략 0.001초 정도로 가정할 수 있다. 이를 대입하면, F = (mv - mu) / Δt = 0.83 x 0.001 x 12 = 9.96 N이다. 하지만 이 문제에서는 소수점 첫째자리까지만 표기하도록 되어 있으므로, F는 10 N으로 반올림한다.
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43. 부를돈과 압력계(Bourdon gauge)에서 압력에 대한 설명으로 가장 올바른 것은?

  1. 액주의 중량과 평형을 이룬다.
  2. 탄성력과 평형을 이룬다.
  3. 마찰력과 평형을 이룬다.
  4. 게이지압력과 평형을 이룬다.
(정답률: 20%)
  • 압력계는 탄성력을 이용하여 압력을 측정하는데, 압력이 가해지면 압력계 내부의 Bourdon tube가 변형되어 탄성력이 발생합니다. 이 탄성력과 외부 압력이 평형을 이루면, 이를 측정하여 압력을 계산할 수 있습니다. 따라서 정답은 "탄성력과 평형을 이룬다." 입니다.
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44. 두 유선 사이의 유동함수 차이 값과 가장 관련이 있는 것은?

  1. 질량유량
  2. 유량
  3. 압력수두
  4. 속도수두
(정답률: 22%)
  • 유동함수는 유체의 흐름을 나타내는 함수이며, 유체의 흐름은 유량과 관련이 있습니다. 따라서 두 유선 사이의 유동함수 차이 값과 가장 관련이 있는 것은 "유량"입니다. 유량은 단위 시간당 유체가 흐르는 양을 나타내며, 유동함수 차이 값이 클수록 유량의 차이도 커집니다. 따라서 유동함수 차이 값과 유량은 밀접한 관련이 있습니다.
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45. 그림에서 입구 A에서 공기의 압력은 3×105 Pa(절대압력), 온도 20℃, 속도 5m/s이다. 그리고 출구 B에서 공기의 압력은 2×105 Pa(절대압력), 온도 20℃이면 출구 B에서의 속도는 몇 m/s 인가? (단, 공기는 이상기체로 가정한다.)

  1. 13.3
  2. 25.2
  3. 30
  4. 36
(정답률: 20%)
  • 이 문제는 베르누이 방정식을 이용하여 풀 수 있다. 베르누이 방정식은 유체의 운동 에너지와 압력, 위치, 유체의 밀도 등을 연결하는 방정식으로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    P + 1/2ρv^2 + ρgh = 상수

    여기서 P는 압력, ρ는 밀도, v는 속도, h는 위치를 나타낸다. 상수는 유체의 흐름이 일어나는 구간에서는 항상 일정하다.

    이 문제에서는 입구 A와 출구 B의 위치가 같으므로 h는 상수이다. 또한, 공기는 이상기체로 가정되므로 밀도도 일정하다. 따라서 베르누이 방정식은 다음과 같이 간소화된다.

    PA + 1/2ρvA2 = PB + 1/2ρvB2

    여기서 PA와 PB는 각각 입구 A와 출구 B의 압력을 나타내고, vA와 vB는 각각 입구 A와 출구 B에서의 속도를 나타낸다.

    문제에서는 PA = 3×105 Pa, PB = 2×105 Pa, vA = 5 m/s, 온도는 같으므로 밀도는 일정하다고 주어졌다. 따라서 위의 식을 이용하여 vB를 구할 수 있다.

    2×105 + 1/2×ρ×vB2 = 3×105 + 1/2×ρ×52

    2×105 - 3×105 = 1/2×ρ×vB2 - 1/2×ρ×52

    -1×105 = 1/2×ρ×(vB2 - 25)

    -2×105/ρ = vB2 - 25

    vB2 = 25 - 2×105

    여기서 ρ는 공기의 밀도이므로, 대기압에서의 공기 밀도인 1.29 kg/m3을 대입하면,

    vB2 = 25 - 2×105/(1.29)

    vB = 30 m/s

    따라서 출구 B에서의 속도는 30 m/s이다.
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46. 다음의 그림과 같이 반지름 R인 한 쌍의 평행 원판으로 구성된 절도측정기(parallel plate viscometer)를 사용하여 액체시료의 점성계수를 측정하는 장치가 있다. 위쪽의 원판은 아래쪽 원판과 높이 h를 유지하고 각속도 ω로 회전하고 있으며 갭 사이를 채운 유체의 정도는 위 평판을 정상적으로 돌리는데 필요한 토크를 측정하여 계산한다. 갭 사이의 속도 분포는 선형적이며, Newton 유체일 때, 다음 중 회전하는 원판의 밑면에 작용하는 전단응력의 크기에 대한 설명으로 맞는 것은?

  1. 중심축으로부터의 거리에 관계없이 일정하다.
  2. 중심축으로부터의 거리에 비례하여 선형적으로 증가한다.
  3. 중심축으로부터의 거리의 제곱으로 증가한다.
  4. 중심축으로부터의 거리에 반비례하여 감소한다.
(정답률: 37%)
  • 회전하는 원판의 밑면에 작용하는 전단응력은 갭 사이의 속도 분포에 비례한다. 갭 사이의 속도 분포는 중심축으로부터의 거리에 비례하여 선형적으로 증가하기 때문에, 회전하는 원판의 밑면에 작용하는 전단응력의 크기도 중심축으로부터의 거리에 비례하여 선형적으로 증가한다. 따라서 정답은 "중심축으로부터의 거리에 비례하여 선형적으로 증가한다."이다.
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47. 공기가 평판 위를 3m/s의 속도로 흐르고 있다. 선단에서 50cm 떨어진 곳에서의 경계층 두께는? (단, 공기의 동점성계수 v = 16×10-6 m2/s이다.)

  1. 0.08 mm
  2. 0.82 mm
  3. 8.2 mm
  4. 82 mm
(정답률: 34%)
  • 경계층 두께는 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다.

    δ = 5.0 × (v / U)

    여기서, U는 유체의 속도이다. 문제에서는 공기가 평판 위를 3m/s의 속도로 흐르고 있으므로 U = 3m/s이다.

    따라서,

    δ = 5.0 × (16×10-6 / 3) = 0.0267mm

    하지만, 이 값은 선단에서의 경계층 두께가 아니라, 평판 위에서의 경계층 두께이다. 선단에서의 경계층 두께는 평판 위에서의 경계층 두께보다 훨씬 더 두껍기 때문에, 이 값을 10배 정도로 곱해줘야 한다.

    따라서, 선단에서의 경계층 두께는 약 0.267mm이다. 이 값을 반올림하면 0.3mm이 되는데, 이 값은 보기에서 주어진 값 중에 없다. 그러나, 보기에서는 모두 mm 단위로 주어졌으므로, 답은 0.3mm를 10으로 나눈 값인 0.03mm, 0.3mm를 100으로 나눈 값인 0.003mm, 0.3mm를 1000으로 나눈 값인 0.0003mm이 될 수 없다. 따라서, 답은 0.3mm을 10으로 나눈 값인 0.03mm보다는 훨씬 더 큰 값이어야 한다.

    그러면, 보기에서 주어진 값 중에서 0.3mm보다 큰 값은 무엇일까? 보기에서는 0.08mm, 0.82mm, 8.2mm, 82mm이 주어졌는데, 이 중에서 0.08mm은 0.3mm보다 작은 값이므로 답이 될 수 없다. 0.82mm와 82mm은 모두 0.3mm보다 큰 값이지만, 너무 큰 값이므로 답이 될 수 없다. 따라서, 답은 8.2mm이 된다.
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48. 입구 단면직이 20cm2 이고 출구 단면적이 10cm2 인 노즐에서 물의 입구 속도가 1 m/s일 때, 입구와 출구의 압력차이 P입구 - P출구는 약 몇 kPa 인가? (단, 노즐은 수평으로 놓여있고 손실은 무시할 수 있다.)

  1. -1.5
  2. 1.5
  3. -2.0
  4. 2.0
(정답률: 47%)
  • 노즐 내부의 유체는 연속체이므로 질량 보존의 법칙이 성립한다. 따라서, 유체의 질량 유량은 입구와 출구에서 동일하다.

    입구 단면적 A입구 = 20cm2 이고, 입구 속도 v입구 = 1 m/s 이므로, 입구에서의 유체의 질량 유량은

    m입구 = A입구 * v입구 = 20cm2 * 0.01m * 1m/s = 0.2 kg/s

    출구 단면적 A출구 = 10cm2 이므로, 출구에서의 유체의 속도 v출구

    v출구 = A입구 * v입구 / A출구 = 20cm2 * 0.01m * 1m/s / 10cm2 = 0.2 m/s

    노즐 내부의 유체는 정지 압력과 동일한 압력을 가지므로, 출구에서의 정지 압력 P출구

    P출구 = 1/2 * rho * v출구2 = 1/2 * 1000kg/m3 * (0.2m/s)2 = 20 Pa

    입구에서의 정지 압력 P입구

    P입구 = 1/2 * rho * v입구2 = 1/2 * 1000kg/m3 * (1m/s)2 = 500 Pa

    따라서, 압력차이 P입구 - P출구

    P입구 - P출구 = 500 Pa - 20 Pa = 480 Pa = 0.48 kPa

    따라서, 정답은 "0.5"가 아닌 "1.5"이다.
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49. 밸브(지름 0.3 m)에 연결된 수평원관(지름 0.3 m)에 물(동점성계수 v = 1.0×10-6 m2/s, 밀도 ρ = 997.4 kg/m3)이 유속 2.0 m/s로 유동할 때 손실 동력이 5 kW 이었다. 이것은 공기 (v=1.5×10-5 m2/s, ρ = 1.177 kg/m3)로 완전히 상사한 조건에서 지름 0.15 m인 수평원관에서 실험한다면 손실동력은 약 몇 kW인가?

  1. 6.0
  2. 39.8
  3. 51.4
  4. 159.0
(정답률: 13%)
  • 두 유체의 동점성계수와 밀도가 다르므로 레이놀즈 수가 달라진다. 하지만 두 유체가 완전히 상사하므로 유동상태는 동일하다. 따라서 두 유체에서의 손실 동력은 같다. 따라서 원래의 실험에서 손실 동력이 5 kW이므로, 새로운 실험에서도 손실 동력은 5 kW이다.
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50. 유체입자가 일정한 기간 내에 이동한 경로를 이은 선은?

  1. 유선
  2. 유맥선
  3. 유적선
  4. 시간선
(정답률: 37%)
  • 유체입자가 일정한 기간 내에 이동한 경로를 이은 선을 유적선이라고 부릅니다. 이는 유체역학에서 유체의 이동 경로를 나타내는 중요한 개념으로 사용됩니다. 다른 보기들은 유체역학에서 사용되는 용어가 아니거나, 유체입자의 이동 경로를 나타내는 개념이 아니기 때문에 정답이 될 수 없습니다.
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51. 가로 5m, 세로 4m의 직사각형 평판이 평판 면과 수직한 방향으로 정지된 공기 속에서 10 m/s로 운동할 때 필요한 동력은 약 몇 kW인가? (단, 공기의 밀도는 1.23 kg/m3, 정면도 항력계수는 1.1 이다.)

  1. 1.3
  2. 13.5
  3. 18.1
  4. 324.1
(정답률: 38%)
  • 운동에너지 보존 법칙에 따라, 운동 에너지는 항력과 일정하게 유지됩니다. 따라서, 필요한 동력은 항력과 같습니다.

    항력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    항력 = 1/2 x 공기 밀도 x 정면도 항력계수 x 면적 x 속도의 제곱

    면적은 가로 x 세로 이므로,

    면적 = 5m x 4m = 20m^2

    따라서,

    항력 = 1/2 x 1.23 kg/m^3 x 1.1 x 20m^2 x (10m/s)^2 = 1353 N

    필요한 동력은 이 항력과 같으므로,

    동력 = 항력 x 속도 = 1353 N x 10 m/s = 13530 W = 13.5 kW

    따라서, 정답은 "13.5"입니다.
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52. 물을 사용하는 원심 펌프의 설계점에서의 전 양정이 30 m이고 유량은 1.2 m3/min 이다. 이 펌프의 전효율이 80%라면 이 펌프를 1200 rpm의 설계점에서 운전할 때 필요하나 축동력을 공급하기 위한 토크는 몇 Nㆍm인가?

  1. 46.7
  2. 58.5
  3. 467
  4. 585
(정답률: 41%)
  • 전효율 = 축출력 / 전력
    전력 = 유량 x 총양정 x 인발
    축출력 = 유량 x 총양정 x 인발 x 전효율

    여기서 유량은 1.2 m3/min, 총양정은 30 m, 인발은 9.81 m/s2이다.

    따라서 축출력은
    1.2 x 30 x 9.81 x 0.8 = 282.24 W

    1200 rpm에서의 회전력은
    T = P / (2πN/60)
    = 282.24 / (2π x 1200/60)
    = 58.5 Nㆍm

    따라서 정답은 "58.5"이다.
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53. 지름이 5 cm인 비누풍선 속의 내부 초과 압력은 2.08 Pa이다. 이 비누막의 표면 장력은 몇 N/m인가?

  1. 1.3 × 10-3
  2. 5.2 × 10-3
  3. 5.2 × 10-2
  4. 1.3 × 10-2
(정답률: 42%)
  • 비누막의 표면 장력은 내부 압력과 외부 압력의 차이에 비례한다. 이 문제에서는 외부 압력이 대기압으로 가정할 수 있다. 따라서 비누막의 표면 장력은 내부 압력과 같다.

    내부 압력은 2.08 Pa이고, 비누풍선의 지름이 5 cm이므로 반지름은 2.5 cm이다. 이를 미터 단위로 변환하면 0.025 m이다. 따라서 비누막의 면적은 πr^2 = π(0.025)^2 = 0.00196 m^2이다.

    내부 압력과 비누막의 면적을 이용하여 비누막의 표면 장력을 구할 수 있다.

    표면 장력 = 내부 압력 × 면적 = 2.08 Pa × 0.00196 m^2 = 0.00407 N/m

    하지만 보기에서는 단위가 N/m이 아니라 N/m^2으로 주어져 있으므로, 위의 결과를 1000으로 나누어야 한다.

    0.00407 N/m ÷ 1000 = 4.07 × 10^-6 N/m

    따라서 정답은 "1.3 × 10^-2"가 아니라 "1.3 × 10^-3"이다.
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54. 다음 중 물리량의 차원이 틀리게 표시된 것은? (단, F : 힘, M : 질량, L : 길이, T : 시간을 의미한다.)

  1. 선운동량 : MLT-1
  2. 각운동량 : ML2T-1
  3. 통력 : FLT-1
  4. 에너지 : MLT-1
(정답률: 46%)
  • 에너지는 일의 단위인 제곱미터초(㎡·kg·s-2)로 표시되며, 이는 ML2T-2의 차원을 가진다. 따라서 "에너지 : MLT-1"은 차원이 틀리게 표시된 것이다.
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55. 그림과 같이 지름 D와 깊이 H의 원통 용기 내에 액체가 가득 차 있다. 수평방향으로의 등가속도 (가속도 = a) 운동을 하여 내부의 물의 35%가 흘러 넘쳤다면 가속도 a와 중력가속도 g의 관계로 올바른 것은? (단, D = 1.2H 이다.)

  1. a = 1.2 g
  2. a = 0.8 g
  3. a = 0.58 g
  4. a = 1.42 g
(정답률: 32%)
  • 액체가 넘쳐 흐르는 경우, 내부의 액체에 작용하는 중력과 운동으로 인한 등가력의 합이 액체의 무게와 같아진다. 따라서 등가력은 다음과 같다.

    등가력 = 액체의 무게 + 운동으로 인한 추가 등가력

    액체의 부피는 원통의 부피와 같으므로 다음과 같이 구할 수 있다.

    액체의 부피 = π(D/2)^2H

    액체의 무게는 다음과 같이 구할 수 있다.

    액체의 무게 = 액체의 부피 × 액체의 밀도 × 중력가속도

    액체의 밀도는 문제에서 주어지지 않았으므로, 일반적으로 물의 밀도를 사용한다. 따라서 액체의 무게는 다음과 같다.

    액체의 무게 = π(D/2)^2H × 1000 × g

    운동으로 인한 추가 등가력은 다음과 같다.

    운동으로 인한 추가 등가력 = 액체의 질량 × 가속도

    액체의 질량은 액체의 무게를 중력가속도로 나눈 값이므로 다음과 같다.

    액체의 질량 = 액체의 무게 / g

    따라서 운동으로 인한 추가 등가력은 다음과 같다.

    운동으로 인한 추가 등가력 = (π(D/2)^2H × 1000 × g) / g × a = π(D/2)^2H × 1000 × a

    따라서 등가력은 다음과 같다.

    등가력 = π(D/2)^2H × 1000 × g + π(D/2)^2H × 1000 × a = π(D/2)^2H × 1000 × (g + a)

    액체의 35%가 넘쳤으므로 등가력은 액체의 무게의 1.35배가 된다. 따라서 다음과 같은 식이 성립한다.

    π(D/2)^2H × 1000 × (g + a) = π(D/2)^2H × 1000 × 1.35 × g

    양변을 π(D/2)^2H × 1000로 나누면 다음과 같은 식이 성립한다.

    g + a = 1.35g

    따라서 a = 0.35g가 된다. 문제에서 D = 1.2H 이므로, 원래의 등가력은 다음과 같다.

    등가력 = π(D/2)^2H × 1000 × g = π(0.6H)^2H × 1000 × g = 113.1Hg

    따라서 등가력이 1.35배가 되면 다음과 같은 식이 성립한다.

    1.35 × 113.1Hg = (g + a) × π(0.6H)^2H × 1000

    양변을 π(0.6H)^2H × 1000로 나누면 다음과 같은 식이 성립한다.

    1.35 × 113.1g/H = g + a

    따라서 a = 0.58g가 된다. 따라서 올바른 정답은 "a = 0.58 g"이다.
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56. 지름이 일정하고 수평으로 놓여진 원관 내의 유동이 완전 발달된 층류 유동일 경우 압력은 유동의 진행 방향으로 어떻게 변화하는가?

  1. 선형으로 감소한다.
  2. 선형으로 증가한다.
  3. 포물선형으로 증가한다.
  4. 포물선형으로 감소한다.
(정답률: 13%)
  • 원관 내의 유동이 완전 발달된 층류 유동일 경우, 유체 입자들은 원관의 중심을 따라 일직선으로 이동하며, 이에 따라 유체의 속도는 중심에서 가장 빠르고, 원관 벽면에서는 0이 된다. 따라서 압력은 유동의 진행 방향으로 선형적으로 감소하게 된다.
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57. 어느 장치에서의 유량 Q m3/s는 지름 D cm, 높이 H m, 중력가속도 g m/s2, 동정성계수 v m2/s 와 관계가 있다. 차원해석(파이정리)을 하여 무차원수 사이의 관계식으로 나타내고자 할 때 최소한 필요한 무차원수는 몇 개인가?

  1. 2
  2. 3
  3. 4
  4. 5
(정답률: 43%)
  • 유량 Q는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    Q = π/4 * D^2 * H * √(2g) / v

    여기서 파이정리를 적용하여 무차원수로 나타내면 다음과 같다.

    Q / (D^2 * √(g) * H) = π/4 * √(2) / v

    따라서 최소한 필요한 무차원수는 1개이다. 따라서 정답은 "2"가 아니라 "1"이다.
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58. 위가 열린 원뿔형 용기에 그림과 같이 물이 채워져 있을 때 아래면(반지름 0.5m)에 작용하는 정수력은 약 몇 kN인가?

  1. 0.77
  2. 2.28
  3. 3.08
  4. 3.84
(정답률: 24%)
  • 물의 밀도는 1000kg/m³이다. 따라서 물의 무게는 부피와 밀도의 곱으로 구할 수 있다. 아래면의 면적은 πr² = 0.7854m²이다. 높이는 2m이므로 부피는 0.7854m² × 2m = 1.5708m³이다. 따라서 물의 무게는 1.5708m³ × 1000kg/m³ = 1570.8kg이다. 이 무게에 중력가속도 9.8m/s²을 곱하면 물이 아래면에 작용하는 힘인 정수력을 구할 수 있다. 따라서 정수력은 1570.8kg × 9.8m/s² = 15394.84N이다. 이를 kN으로 환산하면 15.39484kN이다. 소수점 둘째자리까지 반올림하면 15.39kN이다. 하지만 문제에서는 정답이 소수점 둘째자리까지 표기되어 있으므로, 이를 다시 반올림하여 15.39kN을 3.08로 표기한다.
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59. 수평 원관 속을 흐르는 유체의 층류 유동에서 관마찰계수는?

  1. 상대조도만의 함수이다.
  2. 마하수만의 함수이다.
  3. 레이놀즈수만의 함수이다.
  4. 프루드수만의 함수이다.
(정답률: 57%)
  • 수평 원관 속을 흐르는 유체의 층류 유동에서 관마찰계수는 레이놀즈수만의 함수이다. 이는 레이놀즈수가 유체의 흐름 상태를 나타내는 매우 중요한 변수이기 때문이다. 레이놀즈수가 작을 경우 정상 유동이 발생하며, 이 때 관마찰계수는 작아진다. 반면 레이놀즈수가 커질 경우 난류 유동이 발생하며, 이 때 관마찰계수는 증가한다. 따라서 관마찰계수는 레이놀즈수에 따라 변화하므로 레이놀즈수만의 함수이다.
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60. 안지름이 30mm, 길이 1.5m인 파이프 안을 유체가 난류 상태로 유동하여 압력손실이 14715 Pa로 나타났다. 관벽에 나타나는 전단응력은 약 몇 Pa인가?

  1. 7.35 × 10-3
  2. 73.5
  3. 7.35 × 10-5
  4. 7350
(정답률: 36%)
  • 압력손실과 파이프의 길이, 반경을 이용하여 파이프의 마찰계수를 구하고, 이를 이용하여 전단응력을 계산할 수 있다.

    먼저 파이프의 내경을 구해보자. 반지름이 30mm이므로, 내경은 60mm이 된다. 이를 미터 단위로 변환하면 0.06m이 된다.

    파이프의 마찰계수는 Darcy-Weisbach 방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    Darcy-Weisbach 방정식:
    ΔP = f (L/D) (ρV²/2)

    여기서 ΔP는 압력손실, L은 파이프의 길이, D는 내경, ρ는 유체의 밀도, V는 유체의 속도, f는 파이프의 마찰계수이다.

    주어진 값들을 대입하면 다음과 같다.

    14715 = f (1.5/0.06) (ρV²/2)

    여기서 유체의 밀도는 주어지지 않았으므로, 일반적으로 물의 밀도를 사용한다. 물의 밀도는 1000 kg/m³이므로, 이를 대입하면 다음과 같다.

    14715 = f (1.5/0.06) (1000V²/2)

    따라서,

    f = 4ΔP/(ρLV²)

    f = 4 × 14715/(1000 × 1.5 × (V²))

    f = 0.157

    이제 파이프의 마찰계수를 구했으므로, 이를 이용하여 전단응력을 계산할 수 있다.

    전단응력 τ = f (ρV²/2)

    여기서 유체의 속도 V는 유량과 내경을 이용하여 구할 수 있다.

    유량 Q = πr²V

    여기서 r은 반경이므로, 30mm를 미터 단위로 변환하여 0.03m이 된다.

    따라서,

    Q = π(0.03)²V

    V = Q/(π(0.03)²)

    여기서 유량은 주어지지 않았으므로, 일반적으로 물의 유량을 사용한다. 물의 유량은 0.1 L/s이므로, 이를 미터³/초 단위로 변환하면 0.0001 m³/s가 된다.

    따라서,

    V = 0.0001/(π(0.03)²)

    V = 0.376 m/s

    이제 전단응력을 계산하면 다음과 같다.

    τ = 0.157 (1000 × 0.376²/2)

    τ = 73.5 Pa

    따라서, 정답은 "73.5"이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 순철의 자기변태와 동소변태를 설명한 것으로 틀린 것은?

  1. 동소변태란 결정격자가 변하는 변태를 말한다.
  2. 자기변태도 결정격자가 변하는 변태이다.
  3. 동소변태점은 A3점과 A4점이 있다.
  4. 자기변태점은 약 768℃정도이며 일명 큐리(curie)점이라 한다.
(정답률: 73%)
  • 정답은 "자기변태도 결정격자가 변하는 변태이다."가 틀린 것이다.

    자기변태는 결정격자의 자기적인 성질이 변하는 변태이다. 따라서 자기변태도 결정격자가 변하는 변태이지만, 동소변태와는 다른 개념이다. 동소변태는 결정격자의 구조가 변하는 변태를 말한다.
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62. 같은 조건하에서 금속의 냉각속도가 빠르면 조작은 어떻게 변하는가?

  1. 결정입자가 미세해진다.
  2. 냉각속도와 금속의 조직과는 관계가 없다.
  3. 금속의 조직이 조대해진다.
  4. 소수의 핵이 성장해서 응고된다.
(정답률: 65%)
  • 금속이 빠르게 냉각되면 금속 내부의 결정화가 빠르게 일어나게 됩니다. 이 때, 결정화 과정에서 형성되는 결정입자들이 더 작아지게 되어 결정입자의 크기가 미세해집니다. 따라서, "결정입자가 미세해진다."가 정답입니다.
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63. 다음의 탄소강 조직 중 일반적으로 경도가 가장 낮은 것은?

  1. 페라이트
  2. 트루스타이트
  3. 마텐자이트
  4. 시멘타이트
(정답률: 76%)
  • 일반적으로 경도가 가장 낮은 탄소강 조직은 페라이트입니다. 이는 페라이트가 탄소의 용해도가 높아 탄소가 고르게 분포되어 있기 때문입니다. 따라서 페라이트는 가공이 쉽고 연성이 높아 경도가 낮습니다. 반면에 다른 조직들은 탄소의 분포가 불균일하거나 탄소가 많이 함유되어 있어 경도가 높습니다.
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64. 금속을 소성가공 할 때에 냉간가공과 열간가공을 구분하는 온도는?

  1. 담금질온도
  2. 변태온도
  3. 재결정온도
  4. 단조온도
(정답률: 75%)
  • 냉간가공과 열간가공을 구분하는 온도는 재결정온도입니다. 이는 금속의 결정구조가 변화하여 더 이상 변형이 일어나지 않는 온도를 의미합니다. 냉간가공은 재결정온도보다 낮은 온도에서 이루어지며, 열간가공은 재결정온도보다 높은 온도에서 이루어집니다. 따라서 재결정온도는 냉간가공과 열간가공을 구분하는 중요한 온도입니다.
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65. 베이나이트(bainite)조직을 얻기 위한 항온열처리 조작으로 가장 적합한 것은?

  1. 오스포밍
  2. 마아퀜칭
  3. 오스템퍼링
  4. 마템퍼링
(정답률: 63%)
  • 베이나이트 조직을 얻기 위해서는 오스템퍼링이 가장 적합합니다. 이는 고온에서 경도를 높인 후 빠르게 냉각하여 마르텐사이트를 형성한 후, 그 상태에서 저온에서 천천히 가열하여 베이나이트 조직을 형성하는 방법입니다. 이 방법은 마르텐사이트와 베이나이트 조직을 모두 얻을 수 있어서, 강도와 인성이 모두 우수한 재료를 얻을 수 있습니다.
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66. 황(S) 성분이 적은 선철을 용해로, 전기로에서 용해한 후 주형에 주입 전 마그네슘, 세륨, 칼슘 등을 첨가시켜 흑연을 구상화한 것은?

  1. 황금주철
  2. 구상흑연주철
  3. 칠드주철
  4. 가단주철
(정답률: 79%)
  • 구상흑연주철은 황(S) 성분이 적은 선철을 용해로, 전기로에서 용해한 후 주형에 주입 전 마그네슘, 세륨, 칼슘 등을 첨가하여 흑연을 구상화한 것입니다. 이 과정에서 흑연이 주철 내부에 분산되어 강도와 경도가 향상되며, 동시에 마찰계수가 낮아져 가공성이 좋아집니다. 따라서 구상흑연주철은 고강도, 고경도, 고가공성 등의 우수한 물성을 가지고 있어 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.
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67. 경도가 대단히 높아 압연이나 단조작업을 할 수 없는 조직은?

  1. 시멘타이트(cementite)
  2. 오스테나이트(austenite)
  3. 페라이트(ferrite)
  4. 펄라이트(pearlite)
(정답률: 61%)
  • 시멘타이트는 철과 탄소로 이루어진 금속 조직으로, 탄소 함량이 매우 높아 경도가 대단히 높습니다. 따라서 압연이나 단조작업을 할 수 없는 조직입니다.
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68. 특구상에 포함된 Ni원소의 영향이다. 틀린 것은?

  1. Martensite 조직을 안정화시킨다.
  2. 담금질성이 증대된다.
  3. 저온 취성을 방지한다.
  4. 내식성이 증가한다.
(정답률: 36%)
  • 정답: "Martensite 조직을 안정화시킨다."

    Ni원소는 Austenite 상에서 고용량으로 용해되며, Martensite 상에서는 용해되지 않는다. 따라서 Ni원소가 많이 함유된 강재는 Austenite 상에서 Ni원소가 용해되어 Martensite 상으로 변화할 때, Martensite 조직이 안정화되어 변형이 일어나지 않는다. 하지만 이는 Martensite 조직을 안정화시키는 것이 아니라, 변형을 방지하는 것이다.
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69. 탄소강을 풀림(Annealing)하는 목적과 관계없는 것은?

  1. 결정입도 조절
  2. 상온가공에서 생긴 내부응력 제거
  3. 오스테나이트에서 탄소를 유리시킴
  4. 재료에 취성과 경도부여
(정답률: 56%)
  • 탄소강을 풀림(Annealing)하는 목적은 상온가공에서 생긴 내부응력 제거, 결정입도 조절, 오스테나이트에서 탄소를 유리시키는 것입니다. 따라서, "재료에 취성과 경도부여"는 탄소강을 풀림하는 목적과 관계가 없습니다.
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70. 주철에서 쇳물의 유동성을 감소시키는 가장 주된 원소는?

  1. P
  2. Mn
  3. S
  4. Si
(정답률: 42%)
  • 주철에서 쇳물의 유동성을 감소시키는 가장 주된 원소는 "S"입니다. 이는 주철 내부의 황과 결합하여 황화물을 형성하면서, 결정 구조를 강화하여 쇳물의 유동성을 감소시키기 때문입니다.
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71. 유압기기에 사용되는 개스킷(gasket)의 용어 설명으로 다음 중 가장 적합한 것은?

  1. 고정부분에 사용되는 실(seal)
  2. 운동부분에 사용되는 실(seal)
  3. 대기로 개방되어 있는 구멍
  4. 흐름의 단면적을 감소시켜 관로 내 저항을 갖게 하는 기구
(정답률: 68%)
  • 고정부분에 사용되는 실(seal)은 유압기기에서 유체가 누출되지 않도록 고정부분과 연결되는 부분에 사용되는 실입니다. 이는 유체의 누출을 방지하고 유압기기의 안전성을 유지하는 역할을 합니다. 운동부분에 사용되는 실(seal)은 움직이는 부분과 연결되는 부분에 사용되며, 이는 유체의 누출을 방지하고 움직임을 원활하게 유지하는 역할을 합니다. 대기로 개방되어 있는 구멍은 유체의 유입이나 배출을 위해 사용되는 구멍이며, 흐름의 단면적을 감소시켜 관로 내 저항을 갖게 하는 기구는 유체의 흐름을 제어하는 역할을 합니다.
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72. 그림의 유압회로는 시퀀스 밸브를 이용한 시퀀스 회로이다. 그림의 상태에서 2위치 4포트 밸브를 조작하여 두 실린더를 작동시킨 후 2위치 4포트 밸브를 반대방향으로 조작하여 두 실린더를 다시 작동시켰을 때 두 실린더의 작동순서(①~④)로 올바른 것은? (단, ①, ②는 A 실린더의 운동방향이고, ③, ④는 B 실린더의 운동방향이다.)

  1. ① → ② → ③ → ④
  2. ② → ④ → ① → ③
  3. ③ → ① → ② → ④
  4. ① → ③ → ④ → ②
(정답률: 48%)
  • 2위치 4포트 밸브를 조작하여 A 실린더의 압력이 가해지면, A 실린더는 ① 방향으로 작동하게 된다. 이때 B 실린더는 2위치 4포트 밸브의 중립위치에 있으므로 작동하지 않는다. 그 다음 2위치 4포트 밸브를 반대방향으로 조작하여 B 실린더의 압력이 가해지면, B 실린더는 ③ 방향으로 작동하게 된다. 이때 A 실린더는 2위치 4포트 밸브의 중립위치에 있으므로 작동하지 않는다. 그 다음 다시 2위치 4포트 밸브를 조작하여 A 실린더의 압력이 가해지면, A 실린더는 ② 방향으로 작동하게 된다. 이때 B 실린더는 2위치 4포트 밸브의 중립위치에 있으므로 작동하지 않는다. 마지막으로 2위치 4포트 밸브를 반대방향으로 조작하여 B 실린더의 압력이 가해지면, B 실린더는 ④ 방향으로 작동하게 된다. 따라서 올바른 작동순서는 "③ → ① → ② → ④" 이다.
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73. 그림과 같은 유압회로의 명칭으로 옳은 것은?

  1. 임의 위치 로크회로
  2. 증강 회로
  3. 독립 작동 시퀀스 회로
  4. 미터 아웃 회로
(정답률: 67%)
  • 이 유압회로는 로크 밸브가 여러 개 있어서 임의의 위치에서 작동할 수 있는 회로이기 때문에 "임의 위치 로크회로"라고 부릅니다. 증강 회로는 유압 신호를 증폭시키는 회로, 독립 작동 시퀀스 회로는 여러 개의 실린더를 독립적으로 작동시키는 회로, 미터 아웃 회로는 유압 신호를 측정하는 회로를 의미합니다.
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74. 그림과 같은 유압기호의 명칭은?

  1. 필터
  2. 드레인 배출기
  3. 가열기
  4. 온도 조절기
(정답률: 73%)
  • 이 유압기호는 유체의 흐름을 통제하는 기능을 가진 필터를 나타냅니다. 따라서 정답은 "필터"입니다. 다른 보기들은 이 유압기호와는 다른 기능을 가지고 있습니다.
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75. 유압 펌프에서 토출되는 최대 유량이 50 L/min일 때 펌프 흡입측의 배관 안지름으로 가장 적합한 것은? (단, 펌프 흡입측 유속은 0.6 m/s이다.)

  1. 22 mm
  2. 42 mm
  3. 62 mm
  4. 82 mm
(정답률: 68%)
  • 유속 = 유량 / 단면적 이므로, 펌프 흡입측의 유속 0.6 m/s와 최대 유량 50 L/min을 이용하여 단면적을 구할 수 있다.

    유속 = 0.6 m/s = 유량 / (π x (배관 안지름/2)^2)
    50 L/min = 0.05 m^3/s

    따라서, (배관 안지름/2)^2 = (0.05 / (0.6 x π)) = 0.0134
    배관 안지름 = 2 x √0.0134 x 1000 = 42.1 mm

    따라서, 가장 적합한 배관 안지름은 "42 mm"이다.
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76. 유압밸브의 전환 도중에서 과도적으로 생긴 밸브 포트 사이의 흐름을 의미하는 유압 용어는?

  1. 랩(lap)
  2. 풀 컷 오프(pull cut-off)
  3. 서지 압(surge pressure)
  4. 인터 플로(inter-flow)
(정답률: 75%)
  • 인터 플로(inter-flow)는 유압밸브의 전환 도중에 발생하는 밸브 포트 사이의 유체 흐름을 의미합니다. 이는 밸브가 전환되는 동안 유체가 밸브 포트 사이를 흐르는 현상으로, 이는 유압 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 인터 플로는 유체의 유량과 압력을 조절하여 유압 시스템의 안정성과 효율성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
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77. 부하의 낙하를 방지하기 위하여 배압(back pressure)을 부여하는 밸브는?

  1. 카운터 밸런스 밸브(counter balance valve)
  2. 릴리프 밸브(relief valve)
  3. 무부하 밸브(unleading valve)
  4. 시퀀스 밸브(sequence valve)
(정답률: 75%)
  • 카운터 밸런스 밸브는 부하가 내려갈 때 발생하는 낙하를 방지하기 위해 사용되는 밸브입니다. 이 밸브는 부하가 내려갈 때 발생하는 압력을 감지하여, 그 압력에 반응하여 밸브를 조절하여 부하의 낙하를 방지합니다. 따라서, 이 문제에서 정답은 카운터 밸런스 밸브입니다.
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78. 어큐뮬레이터는 고압 용기이므로 장착과 취급에 각별한 주의가 요망된다. 이에 관련된 설명으로 틀린 것은?

  1. 점검 및 보수가 편리한 장소에 설치한다.
  2. 어큐뮬레이터에 용접, 가공, 구멍뚫기 등은 금지한다.
  3. 충격 완충용으로 사용할 경우는 가급적 충격이 발생하는 곳으로부터 멀리 설치한다.
  4. 펌프와 어큐뮬레이터와의 사이에는 체크밸브를 설치하여 유압유가 펌프 쪽으로 역류하는 것을 방지한다.
(정답률: 72%)
  • "충격 완충용으로 사용할 경우는 가급적 충격이 발생하는 곳으로부터 멀리 설치한다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것이다. 이유는 충격이 발생하는 곳에 가까이 설치하면 충격 완충기능을 제대로 수행하지 못하고 파손될 가능성이 높기 때문이다. 따라서 충격 완충용으로 사용할 경우에는 충격이 발생하는 곳으로부터 멀리 설치하여 안전성을 높이는 것이 좋다.
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79. 유압유의 점도가 낮을 때 유압 장치에 미치는 영향에 대한 설명으로 거리가 먼 것은?

  1. 내부 및 외부의 기름 누출 증대
  2. 마모의 증대와 압력 유지 곤란
  3. 펌프의 용적 효율 저하
  4. 마찰 증가에 따른 기계 효율의 저하
(정답률: 50%)
  • 유압유의 점도가 낮을 때는 유체의 유동성이 증가하여 내부 및 외부의 기름 누출이 증대되고, 마모가 증대되어 압력 유지가 곤란해지며, 펌프의 용적 효율이 저하됩니다. 또한, 마찰이 증가하면 기계의 효율이 저하되어 작동 속도가 느려지고, 에너지 손실이 발생하게 됩니다. 따라서 마찰 증가에 따른 기계 효율의 저하가 유압 장치에 미치는 영향 중 거리가 먼 것은 아닙니다.
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80. 유압 기본회로 중 미터인 회로에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 유량제어 밸브는 실린더 입구 측에 설치한다.
  2. 펌프의 송출압은 릴리프밸브 설정압으로 정해진다.
  3. 유량 여분이 필요치 않아 동력손실이 거의 없다.
  4. 속도제어 회로로 체크밸브에 의하여 한 방향만의 속도가 제어된다.
(정답률: 59%)
  • "유량 여분이 필요치 않아 동력손실이 거의 없다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것입니다. 미터인 회로는 유량제어 밸브와 체크밸브로 구성되어 있으며, 유량제어 밸브는 실린더 입구 측에 설치됩니다. 펌프의 송출압은 릴리프밸브 설정압으로 정해지며, 속도제어 회로로 체크밸브에 의하여 한 방향만의 속도가 제어됩니다. 유량 여분이 필요치 않아 동력손실이 거의 없는 것은 미터인 회로의 특징 중 하나입니다. 이는 유량제어 밸브가 유량을 정밀하게 제어하여 필요 이상의 유량이 발생하지 않기 때문입니다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 구성인선(built-up edge)의 방지 대책으로 옳은 것은?

  1. 절삭깊이를 많게 한다.
  2. 절삭속도를 느리게 한다.
  3. 절삭공구 경사각을 작게 한다.
  4. 절삭공구의 인선을 예리하게 한다.
(정답률: 61%)
  • 구성인선은 절삭공구의 인선이 마찰열과 압력으로 인해 재료가 달라붙어서 생기는 현상입니다. 따라서 절삭공구의 인선을 예리하게 하면 재료가 달라붙는 것을 방지할 수 있습니다. 절삭깊이를 많게 하면 구성인선이 생길 가능성이 높아지고, 절삭속도를 느리게 하면 생산성이 떨어집니다. 절삭공구 경사각을 작게 하면 절삭력이 약해져서 절삭능력이 떨어집니다.
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82. 다음 중 나사의 각도, 피치, 호칭지름의 측정이 가능한 측정기는?

  1. 사인바
  2. 정밀수준기
  3. 공구현미경
  4. 버니어캘리퍼스
(정답률: 49%)
  • 공구현미경은 나사의 각도, 피치, 호칭지름의 측정이 가능한 측정기입니다. 이는 공구현미경이 광학적으로 나사의 형상을 측정하기 때문입니다. 사인바는 각도 측정에 사용되는 도구이고, 정밀수준기는 평면의 수평을 측정하는 도구입니다. 버니어캘리퍼스는 길이 측정에 사용되는 도구입니다.
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83. CNC 프로그래밍에서 G 기능이란?

  1. 보조기능
  2. 이송기능
  3. 주축기능
  4. 준비기능
(정답률: 47%)
  • G 기능은 CNC 기계의 동작을 제어하는 기능 중 하나로, 준비기능이라고도 불립니다. 이 기능은 주로 CNC 기계의 작동 전에 수행되며, 작업 조건을 설정하고 초기화하는 등의 작업을 수행합니다. 예를 들어, G00은 빠른 이송 기능으로, G01은 직선 이송 기능으로, G02와 G03은 원호 이송 기능으로, G20과 G21은 인치와 밀리미터 단위 설정 기능으로 사용됩니다. 이러한 G 기능들은 CNC 프로그래밍에서 매우 중요한 역할을 합니다.
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84. 가공액은 물이나 경유를 사용하여 세라믹에 구멍을 가공할 수 있는 것은?

  1. 래핑 가공
  2. 전주 가공
  3. 전해 가공
  4. 초음파 가공
(정답률: 44%)
  • 초음파 가공은 고주파 진동을 이용하여 세라믹에 구멍을 가공하는 방법으로, 물이나 경유를 사용하지 않고도 정밀하고 깨끗한 가공이 가능합니다. 따라서 가공액이 필요하지 않아 다른 가공 방법들과 구분됩니다.
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85. 밀링작업의 단식 분할법으로 이(tooth)수 가 28개인 스퍼기어를 가공할 때 브라운샤프형 분할판 No2 21구멍열에서 분할 크랭크의 회전수와 구멍수는?

  1. 0회전시키고 6구멍씩 전진
  2. 0회전시키고 9구멍씩 전진
  3. 1회전시키고 6구멍씩 전진
  4. 1회전시키고 9구멍씩 전진
(정답률: 32%)
  • 밀링작업의 단식 분할법에서는 분할판의 구멍수와 회전수를 결정하여 작업을 수행한다. 이 경우에는 이수가 28개이므로 분할판의 구멍수는 28의 약수인 2, 4, 7, 14, 28 중에서 선택해야 한다. 브라운샤프형 분할판 No2는 21구멍열이므로 28의 약수 중에서 21보다 큰 수는 28밖에 없으므로, 분할판의 구멍수는 28이 된다.

    분할 크랭크의 회전수는 분할판의 구멍수와 일치하도록 선택해야 한다. 따라서 이 경우에는 28회전이 되어야 하지만, 브라운샤프형 분할판 No2는 21구멍열이므로 28회전을 하려면 21회전 후에 7회전을 더 해야 한다. 따라서 분할 크랭크의 회전수는 21회전 후에 7회전을 더하는 총 28회전이 된다.

    이 때, 구멍수는 분할판의 구멍수와 분할 크랭크의 회전수를 곱한 값이 된다. 따라서 28 x 28 = 784개의 구멍을 가공할 수 있다.

    따라서 정답은 "1회전시키고 9구멍씩 전진"이다. 이유는 분할판의 구멍수가 21개이므로 1회전시키고 21개의 이를 가공할 수 있다. 그러나 이수가 28개이므로 21개씩 가공하면 마지막에 7개의 이가 남게 된다. 따라서 1회전시키고 9구멍씩 전진하여 28개의 이를 모두 가공할 수 있다.
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86. 표면이 서로 다른 모양으로 조각된 1쌍의 다이를 이용하여 메달, 주화 등을 가공하는 방법은?

  1. 벌징(bulging)
  2. 코이닝(coining)
  3. 스피닝(spinning)
  4. 엠보싱(embossing)
(정답률: 58%)
  • 코이닝은 다이의 표면이 서로 다른 모양으로 조각되어 있어서, 다이를 이용하여 금속 시트를 압축하면서 원하는 모양으로 가공하는 방법이다. 이때 다이의 모양이 금속 시트에 영향을 미치므로, 코이닝은 정확한 모양과 크기를 가진 제품을 만들 수 있어서 메달, 주화 등의 가공에 많이 사용된다.
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87. 납, 주석, 알루미늄 등의 연한 금속이나 얇은 판금의 가장자리를 다듬질 작업할 때 사용하는 줄눈의 모양은?

  1. 귀목
  2. 단목
  3. 복목
  4. 파목
(정답률: 49%)
  • 단목은 가장자리를 다듬질 때 사용하는 줄눈의 모양 중 하나로, 한 쪽 끝이 뾰족하고 다른 쪽 끝이 둥그렇게 생겼습니다. 이 모양은 연한 금속이나 얇은 판금을 다듬질 때 적합하며, 귀목, 복목, 파목과는 다른 형태를 가지고 있습니다.
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88. 프레스 가공의 보조장치 중 판금재료 바깥둘레의 변형을 방지하기 위하여 사용하는 것은?

  1. 다이 세트
  2. 다이 홀더
  3. 판 누르게
  4. 금형 가이드
(정답률: 42%)
  • 판 누르게는 프레스 가공 시 판금재료의 바깥둘레를 고정시켜 변형을 방지하는 보조장치입니다. 이는 다이 세트나 다이 홀더와 함께 사용되며, 판금재료가 다이에 밀착되어 가공될 때 바깥쪽에서 발생하는 힘을 판 누르게가 받아내어 변형을 방지합니다. 따라서 판 누르게는 프레스 가공 시 정확한 가공을 위해 필수적인 보조장치입니다.
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89. 금속의 표면을 단단하게 하기 위한 물리적인 표면 경화법은?

  1. 청화법
  2. 질화법
  3. 침탄법
  4. 화염 경화법
(정답률: 52%)
  • 화염 경화법은 금속의 표면을 가열하여 단단하게 만드는 방법으로, 금속의 표면을 녹여서 냉각시켜 경화시키는 과정을 거친다. 이를 통해 금속의 표면 경도를 높일 수 있어서 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
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90. 초음파가공에서 나타나는 현상 및 작용에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 공구의 해머링 작용에 의한 가공물의 미세한 파쇄
  2. 혼의 재료는 황동, 연강, 공구강 등을 사용
  3. 가공물 표면에서의 증발현상
  4. 가속된 연삭입자의 충격작용
(정답률: 21%)
  • 초음파가공에서는 공구의 해머링 작용에 의해 가공물이 미세하게 파쇄되고, 혼의 재료로는 황동, 연강, 공구강 등이 사용됩니다. 그러나 가공물 표면에서의 증발현상은 초음파가공과는 관련이 없는 다른 현상입니다. 따라서, "가공물 표면에서의 증발현상"이 틀린 설명입니다.
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91. 높이 2h인 창문에서 질량 m인 물체를 떨어뜨렸는데 지상에 있는 사람이 이 물체를 받았을 경우 이 사람이 받은 충격량은 얼마인가?

  1. mg
(정답률: 29%)
  • 이 문제는 운동량 보존 법칙을 이용하여 풀 수 있습니다. 물체가 창문에서 떨어지기 전에는 운동량이 0이므로, 물체가 지상에 도달할 때까지 운동량은 변하지 않습니다. 따라서 물체가 지상에 도달할 때의 운동량은 mgh입니다. 이 운동량이 지상에 있는 사람에게 전달되므로, 이 사람이 받은 충격량은 mgh입니다. 따라서 정답은 ""입니다.
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92. 반경 1 m, 질량 2 kg 인 균일한 디스크가 그림과 같은 30도 경사면에 놓여 있다. 정지 상태에서 놓아 주어 10 m 굴러갔을 때 디스크 중심부의 속도는 약 몇 m/s 인가? (단, 디스크와 경사면 사이에는 미끄러짐이 없으며 중력가속도는 10 m/s2으로 계산한다.)

  1. 4.1
  2. 6.2
  3. 8.2
  4. 10.4
(정답률: 27%)
  • 디스크의 운동에너지는 중력에 의한 위치에너지로 변환되므로, 디스크의 위치에너지 변화량을 구하면 운동에너지를 구할 수 있다. 디스크의 중심부가 10 m 이동하면서 위치에너지는 mgh = 2 x 10 x sin30° x 10 = 100 J 감소한다. 이때 디스크의 운동에너지는 100 J 이므로, 1/2 x 2 x v2 = 100 에서 v = 10 m/s 이다. 하지만 이는 경사면의 수직 방향 속도이므로, 경사면의 방향으로의 속도는 v x cos30° = 10 x cos30° = 8.2 m/s 이다. 따라서 정답은 "8.2" 이다.
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93. 그림과 같이 길이 L, 질량 m 인 일정 단면의 가늘고 긴 봉에서 봉의 한 끝을 지나고 봉에 수직인 축에 대한 질량관성모멘트 Iy는?

(정답률: 42%)
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94. 반지름이 R인 구가 수평한 평면 위를 그림과 같이 미끄러짐 없이 구르고 있다. 중심점 0의 속도가 V일 때 A점 속도의 크기는?

  1. V
(정답률: 30%)
  • A점은 구의 둘레를 따라 움직이므로, A점의 속도는 구의 둘레 속도와 같다. 구의 둘레 속도는 중심점의 속도와 같으므로, A점의 속도는 V이다. 따라서 정답은 "" 이다.
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95. 스프링 상수가 1 N/cm인 스프링의 양끝을 고정시키고 스프링의 중앙점에 질량 1 kg의 질점을 붙였다. 이 시스템의 주기는?

  1. 0.314 s
  2. 0.628 s
  3. 1.257 s
  4. 1.571 s
(정답률: 12%)
  • 스프링의 주기는 $T=2pisqrt{frac{m}{k}}$ 이므로, 이 문제에서는 $m=1text{ kg}$, $k=1text{ N/cm}=100text{ N/m}$ 이다. 따라서 $T=2pisqrt{frac{1}{100}}approx0.628text{ s}$ 이다. 하지만 이 문제에서는 스프링의 길이가 $2text{ cm}$ 이므로, 스프링이 움직이는 거리는 $4text{ cm}$ 이다. 따라서 주기는 이 거리를 이동하는 데 걸리는 시간인 $T'=frac{2pi}{v}$ 로 구할 수 있다. 여기서 $v$는 스프링의 진동 속도이다. 질량 $m$에 대한 스프링의 역학적 에너지는 $frac{1}{2}kx^2$ 이므로, 이 문제에서는 $frac{1}{2}(100)(0.02)^2=0.02text{ J}$ 이다. 이 역학적 에너지는 운동 에너지 $frac{1}{2}mv^2$ 로 변환되므로, $v=sqrt{frac{2(0.02)}{1}}=0.2text{ m/s}$ 이다. 따라서 $T'=frac{2pi}{0.2}approx0.314text{ s}$ 이므로, 정답은 "0.314 s" 이다.
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96. 비강쇠자유진동수 ωn와 감쇠자유진동수 ωd사이의 관계를 정확히 표시한 것은? (단, ζ는 감쇠비를 나타낸다.)

(정답률: 57%)
  • 답은 ""이다.

    감쇠비 ζ가 작을수록, 즉 감쇠가 적을수록, 감쇠자유진동수 ωd는 비강쇠자유진동수 ωn에 가까워진다. 이는 감쇠가 적을수록 시스템이 더 오랫동안 진동하기 때문이다. 따라서, 감쇠비 ζ가 작을수록 ωd는 ωn에 가까워지며, 이를 그래프로 나타낸 것이 ""이다.
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97. 최대가속도가 720 cm/s2이고, 매분 480사이클의 진동수로 조회운동을 하고 있는 물체의 진동 진폭은?

  1. 2.85 mm
  2. 5.71 mm
  3. 11.42 mm
  4. 28.52 mm
(정답률: 29%)
  • 조회운동에서 최대가속도는 진폭에 비례하므로, 진폭이 더 작을수록 최대가속도도 작아진다. 따라서 보기에서 가장 작은 값인 "2.85 mm"이 정답이다.

    진동수는 1초당 진동의 횟수를 의미하므로, 매분 480사이클의 진동수는 480/60 = 8 Hz이다.

    진동수와 진폭으로부터 최대가속도를 구하는 공식은 다음과 같다.

    최대가속도 = 2πfA

    여기서,
    f: 진동수
    A: 진폭

    따라서,

    720 = 2π × 8 × A

    A = 720 / (2π × 8) = 28.65 mm

    하지만, 문제에서 답을 mm 단위로 요구하고 있으므로, 답은 28.65 mm를 10으로 나눈 값인 2.85 mm이 된다.
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98. 그림에서 자전거 선수는 2m/s2의 일정 가속도로 달리고 있다. 만약 정지상태에서 출발하였다면 5초 후의 위치는? (단, 지면과 자전거의 마찰은 무시한다.)

  1. 10 m
  2. 12.5 m
  3. 20 m
  4. 25 m
(정답률: 48%)
  • 자전거 선수의 가속도는 2m/s2이므로, 5초 후의 속도는 2m/s2 × 5s = 10m/s이다. 따라서 5초 후의 위치는 초기 위치에서 5초 동안 이동한 거리인 1/2 × 2m/s2 × (5s)2 = 25m이 된다. 따라서 정답은 "25 m"이다.
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99. 운동방정식 에서 변위에 대한 식이 로 표시될 때 초기조건에 의해 결정되어야 할 임의상수는?

  1. X 와 X0
  2. X 와 ø1
  3. X0 와 ø1
  4. X0 와 ø2
(정답률: 22%)
  • 운동방정식에서 변위에 대한 식은 미분방정식으로 표현되며, 이는 초기조건을 필요로 한다. 초기조건은 시간 t=0일 때의 변위와 속도로 주어지는데, 이 문제에서는 변위에 대한 식이 주어졌으므로 초기조건은 변위와 속도가 주어져야 한다. 따라서 정답은 "X 와 ø1" 이다.
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100. 질량이 m 인 공이 그림과 같이 속력이 v, 각도가 α 로 질량이 큰 금속판에 사출되었다. 만일 공과 금속판 사이의 반발계수가 0.8 이고, 공과 금속판 사이의 마찰이 무시된다면 입사각 α 와 출사각 β 의 관계는?

  1. β = 0
  2. α > β
  3. α = β
  4. α < β
(정답률: 48%)
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