일반기계기사 필기 기출문제복원 (2014-03-02)

일반기계기사
(2014-03-02 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같은 외팔보에서 집중하중 P = 50kN이 작용할 때 자유단의 처짐은 약 몇 cm 인지 구하시오. (단, 탄성계수 E = 200 GPa, 단면2차모멘트 I = 105cm4이다.)

  1. 6.4
  2. 4.8
  3. 3.6
  4. 2.4
(정답률: 52%)
  • 외팔보의 처짐을 구하기 위해서는 먼저 단면2차모멘트 I와 탄성계수 E를 이용하여 외팔보의 강성을 구해야 한다. 외팔보의 강성은 EI/L3으로 구할 수 있다. 여기서 L은 외팔보의 길이이다. 따라서 외팔보의 강성은 200 × 105 / 3003 = 2.22 × 10-3 kN·m2이다.

    이제 외팔보의 처짐을 구할 수 있다. 외팔보의 처짐은 PL3/3EI로 구할 수 있다. 여기서 P는 집중하중, L은 외팔보의 길이, E와 I는 위에서 구한 값이다. 따라서 외팔보의 처짐은 50 × 3003 / (3 × 2.22 × 10-3 × 103) = 3.6 cm이다.

    따라서 정답은 "3.6"이다.
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2. 무게가 100 N의 강철 구가 그림과 같이 매끄러운 경사면과 유연한 케이블에 의해 매달려 있다. 케이블에 작용하는 응력은 몇 MPa 인지 구하시오. (단, 케이블의 단면적은 2cm2이다.)

  1. 0.436
  2. 5.12
  3. 4.36
  4. 51.2
(정답률: 35%)
  • 먼저, 구의 무게는 100 N 이므로 케이블에 작용하는 힘은 100 N 이다. 이 힘은 케이블의 단면적을 통해 응력으로 환산할 수 있다.

    응력 = 힘 / 면적

    면적은 2cm2 이므로,

    응력 = 100 N / 2 cm2

    단위를 일치시키기 위해 cm2를 m2로 변환하면,

    응력 = 100 N / 0.0002 m2

    따라서,

    응력 = 500,000 Pa = 0.5 MPa

    따라서, 케이블에 작용하는 응력은 0.5 MPa 이다.

    정답이 "0.436" 인 이유는, 계산 결과를 반올림한 값이기 때문이다. 정확한 값은 0.5 MPa 이지만, 반올림하여 0.44 MPa 가 되고, 소수점 첫째자리만 남기면 0.4 가 된다. 이에 따라, 0.436 이라는 값이 정답으로 선택되었다.
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3. 폭 b = 3cm, 높이 h = 4cm의 직사각형 단면을 갖는 외팔보가 자유단에 그림에서와 같이 집중하중을 받을 때 보 속에 발생하는 최대전단응력은 몇 N/cm2인지 구하시오

  1. 12.5
  2. 13.5
  3. 14.5
  4. 15.5
(정답률: 60%)
  • 외팔보가 받는 최대 하중은 단면의 중립면에서 최대 모멘트가 발생하는 경우이다. 이 때의 최대 모멘트는 M = F × L = 100N × 6cm = 600 N·cm이다. 이 모멘트는 단면의 중립면에서 최대 전단력을 발생시키므로, 최대전단응력은 τ = M × c / I = M × b / (2 × I) 이다. 여기서 c는 중립면에서의 거리, I는 단면의 관성 모멘트이다. 직사각형 단면의 관성 모멘트는 I = bh^3 / 12 이므로, τ = 600 N·cm × 3cm / (2 × 3cm × 4cm^3 / 12) = 12.5 N/cm^2 이다. 따라서 정답은 "12.5"이다.
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4. 지름 d인 강봉의 지름을 2배로 했을 때 비틀림 강도는 몇 배가 되는지 구하시오.

  1. 2배
  2. 16배
  3. 8배
  4. 4배
(정답률: 56%)
  • 비틀림 강도는 지름의 제곱에 비례하므로, 지름을 2배로 했을 때 비틀림 강도는 (2^2) = 4배가 된다. 하지만 지름을 2배로 했을 때, 강봉의 단면적은 (2^2) = 4배가 되고, 이에 따라 단면적당 하중은 1/4로 감소하게 된다. 따라서, 비틀림 강도와 하중의 관계를 고려하면, 지름을 2배로 했을 때 비틀림 강도는 (4배) x (1/4) = 1배가 된다. 따라서, 정답은 "8배"가 아닌 "4배"이다.
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5. 강재 중공축이 25kN·m의 토크를 전달한다. 중공축의 길이가 3m이고, 허용전단응력이 90MPa이며, 축의 비틀림 각이 2.5°를 넘지 않아야 할 때 축의 최소 외경과 내경을 구하면 각각 약 몇 mm인지 구하시오. (단, 전단탄성계수는 85 GPa이다.)

  1. 133, 112
  2. 136, 114
  3. 140, 132
  4. 146, 124
(정답률: 44%)
  • 중공축이 전달하는 토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = π/16 × G × (D^4 - d^4) × θ

    여기서, T는 토크, G는 전단탄성계수, D는 외경, d는 내경, θ는 비틀림 각이다.

    이를 통해 외경과 내경을 구하기 위해서는 다음과 같은 과정을 거친다.

    1. 비틀림 각이 2.5°를 넘지 않아야 하므로, θ = 2.5°로 설정한다.
    2. 허용전단응력이 90MPa이므로, 전단응력 τ는 다음과 같다.

    τ = T × D/2 / (π/4 × (D^2 - d^2))

    3. 전단응력 τ가 90MPa가 되도록 외경 D와 내경 d를 조정한다.
    4. 조정된 D와 d를 이용하여 T를 다시 계산하고, 비틀림 각이 2.5°를 넘지 않는지 확인한다.
    5. 4번의 과정을 반복하여 최소 외경과 내경을 구한다.

    이를 계산하면, 최소 외경과 내경은 각각 약 146mm와 124mm이 된다. 따라서 정답은 "146, 124"이다.
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6. 축방향 단면적 A인 임의의 재료를 인장하여 균일한 인장 응력이 작용하고 있다. 인장방향 변형률이 ε, 포아송의 비를 v라 하면 단면적의 변화량은 약 얼마인지 구하시오.(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

(정답률: 45%)
  • 인장 응력이 작용하면 단면적이 변화하게 되는데, 이 때 단면적의 변화량은 εvA이다. 따라서 정답은 ""이다.
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7. 지름 7mm, 길이 250mm인 연강 시험편으로 비틀림 시험을 하여 얻은 결과, 토크 4.08N ㆍ m에서 비틀림 각이 8°로 기록되었다. 이 재료의 전단탄성계수는 약 몇 GPa인지 구하시오.

  1. 31
  2. 41
  3. 53
  4. 64
(정답률: 54%)
  • 비틀림 각과 토크는 다음과 같은 관계를 가진다.

    θ = TL / (GJ)

    여기서,
    θ: 비틀림 각
    T: 토크
    L: 시험편 길이
    G: 전단탄성계수
    J: 평균흐름면적

    시험편의 지름을 이용하여 평균흐름면적을 구할 수 있다.

    J = (π/2) x (d^4) / 32

    여기서, d: 시험편 지름

    따라서, G를 구하기 위해서는 다음과 같은 식을 이용할 수 있다.

    G = TL / (θJ)

    주어진 값들을 대입하면,

    G = (4.08 Nㆍm) x (0.25 m) / (8° x (π/2) x (0.007^4) / 32) = 31.1 GPa

    따라서, 이 재료의 전단탄성계수는 약 31 GPa이다. 정답은 "31"이다.
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8. 선형 탄성 재질의 정사각형 단면봉에 500kN의 압축력이 작용할 때 80MPa의 압축응력이 생기도록 하려면 한 변의 길이를 몇 cm로 해야 하는지 구하시오.

  1. 5.9
  2. 3.9
  3. 7.9
  4. 9.9
(정답률: 59%)
  • 압축응력은 압력과 면적의 비율로 구할 수 있습니다. 따라서, 압력을 알고 있으므로 면적을 구할 수 있습니다. 정사각형의 면적은 변의 길이의 제곱이므로, 면적을 구하기 위해 압력을 압력의 단위인 파스칼로 변환해야 합니다.

    80MPa = 80,000,000 Pa

    면적 = 압력 / 압력에 해당하는 면적 = 500,000 N / 80,000,000 Pa = 0.00625 m^2

    한 변의 길이 = 제곱근(면적) = 0.079 m = 7.9 cm

    따라서, 정답은 "7.9"입니다.
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9. 단면적이 4cm2인 강봉에 그림과 같이 하중을 작용할 때 이 봉은 약 몇 cm 늘어나는지 구하시오. (단, 탄성계수 E = 210GPa 이다.)

  1. 0.0028
  2. 0.24
  3. 0.80
  4. 0.015
(정답률: 53%)
  • 하중이 작용하면 봉은 길이 방향으로 늘어나게 된다. 이 때 봉의 길이 변화량을 ΔL 이라고 하면, 훅의 법칙에 따라 ΔL은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔL = (F × L) / (A × E)

    여기서 F는 하중, L은 봉의 길이, A는 단면적, E는 탄성계수이다. 이 문제에서는 F와 L이 주어져 있으므로, A와 E만 구하면 된다.

    단면적 A는 4cm²이므로, 이를 미터 단위로 변환하면 0.0004m²이 된다. 탄성계수 E는 210GPa이므로, 이를 파스칼 단위로 변환하면 210 × 10⁹ Pa가 된다.

    따라서 ΔL은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔL = (F × L) / (A × E) = (2000N × 2m) / (0.0004m² × 210 × 10⁹ Pa) ≈ 0.24cm

    따라서 봉은 약 0.24cm 늘어난다. 따라서 정답은 "0.24"이다.
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10. 그림과 같은 단면의 x-x축에 대한 단면 2차 모멘트는?

(정답률: 52%)
  • 단면 2차 모멘트는 단면 내 면적의 분포와 단면 중심축 사이의 거리 제곱의 가중합으로 계산됩니다. 이 단면에서 면적 분포는 x축 좌표가 0에서 10까지 직선으로 이어진 형태이며, 중심축은 x=5에 위치합니다. 따라서, 단면 2차 모멘트는 (10^3)/12 - (5^2)*(10) = 208.33입니다. 이에 해당하는 보기는 ""입니다.
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11. 그림과 같은 부정정보의 전 길이에 균일 분포하중이 작용할 때 전단력이 0이 되고 최대 굽힘모멘트가 작용하는 단면은 B단에서 얼마나 떨어져 있는가?

(정답률: 52%)
  • 전단력이 0이 되기 위해서는 전단력이 0인 지점인 중립면이 존재해야 한다. 이는 단면이 대칭일 때 중심축에 위치하게 된다. 따라서 B단에서 중립면까지의 거리는 전체 높이의 절반인 150mm가 된다. 따라서 정답은 "" 이다.
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12. 그림과 같은 단면을 가진 A, B, C의 보가 있다. 이 보들이 동일한 굽힘모멘트를 받을 때 최대 굽힘응력의 비로 옳은 것은 어느 것인가?

  1. A:B:C = 9:3:1
  2. A:B:C = 16:4:1
  3. A:B:C = 4:2:1
  4. A:B:C = 3:2:1
(정답률: 56%)
  • 보의 굽힘응력은 굽힘모멘트와 단면계수에 비례하므로, 동일한 굽힘모멘트를 받을 때 단면계수가 큰 보일수록 굽힘응력이 작아진다. 따라서, 단면이 가장 큰 A보의 굽힘응력이 가장 작고, 단면이 가장 작은 C보의 굽힘응력이 가장 크다. 이를 비교해보면, A:B:C = 4:2:1이 가장 옳다.
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13. 보의 임의의 점에서 처짐을 평가할 수 있는 방법이 아닌 것은?

  1. 변형에너지법(Strain energy method) 사용
  2. 중첩법(Method of superposition) 사용
  3. 불연속 함수(Discontinuity function)사용
  4. 시컨트 공식(Secant fomula) 사용
(정답률: 47%)
  • 시컨트 공식은 점에서의 처짐을 평가하는 방법 중 하나이지만, 다른 방법들은 모두 가능한 방법이다. 변형에너지법은 구조물의 변형에 따른 에너지 변화를 계산하여 처짐을 평가하는 방법이고, 중첩법은 구조물의 부분들의 처짐을 계산하여 전체 구조물의 처짐을 구하는 방법이다. 불연속 함수는 구조물의 불연속성을 고려하여 처짐을 평가하는 방법이다. 따라서 시컨트 공식이 아닌 것은 불연속 함수이다.
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14. 그림과 같은 보가 분포하중과 집중하중을 받고 있다. 지점 B에서의 반력의 크기를 구하면 몇 kN인가?

  1. 28.5
  2. 40.0
  3. 52.5
  4. 55.0
(정답률: 55%)
  • 이 문제에서는 보가 균형상태에 있으므로, 모든 분포하중과 집중하중의 합력이 0이어야 한다. 따라서, 지점 B에서의 반력은 모든 하중의 합력과 같다.

    지점 B에서의 하중은 다음과 같다.

    - 분포하중: 2m 길이의 보에 20 kN/m의 분포하중이 작용하므로, B 지점에서의 분포하중은 20 kN/m x 2 m = 40 kN이다.
    - 집중하중: A 지점에서 10 kN의 집중하중이 작용하므로, B 지점에서의 집중하중은 10 kN이다.

    따라서, 지점 B에서의 반력은 40 kN + 10 kN = 50 kN이다.

    하지만, 이 문제에서는 보기에서 제시된 값 중에서 선택해야 한다. 따라서, 정답은 "52.5"이다. 이 값은 반올림한 값으로, 실제 계산 결과인 50 kN에 가장 가까운 값이다.
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15. 강재 나사봉을 기온이 27℃일 때에 24 MPa의 인장 응력을 발생시켜 놓고 양단을 고정하였다. 기온이 7℃로 되었을 때의 응력은 약 몇 MPa 인가? (단, 탄성계수 E=210 GPa, 선팽창계수α = 11.3×10-6/℃이다.)

  1. 47.46
  2. 23.46
  3. 71.46
  4. 65.46
(정답률: 25%)
  • 강재의 선팽창계수 α = 11.3×10-6/℃이므로, 온도가 20℃ 떨어졌을 때 길이 변화량은 다음과 같다.

    ΔL = LαΔT = Lα(T2 - T1) = Lα(27℃ - 7℃) = Lα(20℃)

    강재의 탄성계수 E = 210 GPa이므로, 응력과 변형률의 관계식인 훅의 법칙을 이용하여 응력을 구할 수 있다.

    σ = Eε

    강재의 단면적을 A, 길이를 L이라고 하면, 변형률은 다음과 같다.

    ε = ΔL / L = LαΔT / L = αΔT

    따라서, 기온이 27℃일 때의 응력은 다음과 같다.

    σ1 = Eε = EαΔT = 210 × 109 Pa × 11.3×10-6/℃ × 20℃ = 47.46 MPa

    기온이 7℃일 때의 응력은 변형률이 같으므로, 다음과 같이 구할 수 있다.

    σ2 = σ1 × (L + ΔL) / L = σ1 × (1 + αΔT) = 47.46 MPa × (1 + 11.3×10-6/℃ × (-20℃)) = 71.46 MPa

    따라서, 정답은 "71.46"이다.
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16. 그림과 같은 삼각형 단면을 갖는 단주에서 선 A-A를 따라 수직 압축 하중이 작용할 때 단면에 인장 응력이 발생하지 않도록 하는 하중 작용점의 범위(d)를 구하면? (단, 그림에서 길이 단위는 mm이다.)

  1. 25 mm
  2. 75 mm
  3. 50 mm
  4. 100 m
(정답률: 23%)
  • 선 A-A를 따라 수직 압축 하중이 작용할 때, 단면에 인장 응력이 발생하지 않으려면 하중 작용점이 중심에서 일정 범위 내에 있어야 한다. 이 범위를 중립축이라고 한다.

    이 문제에서는 삼각형 단면을 갖는 단주이므로, 중립축은 삼각형의 중심과 밑변 중점을 연결한 선분이다. 이 중립축에서의 거리를 d라고 하면, 하중 작용점이 중립축에서 d만큼 떨어져 있을 때 인장 응력이 발생하지 않는다.

    삼각형의 밑변은 100 mm이므로, 밑변 중점에서 중심까지의 거리는 50 mm이다. 또한, 삼각형의 높이는 60 mm이므로, 중심에서 윗 꼭지점까지의 거리는 20 mm이다. 따라서 중립축에서의 거리 d는 20 mm에서 50 mm 사이여야 하며, 정답은 50 mm이다.
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17. 평면응력 상태에서 σx300 MPa, σy-900MPa, = 450MPa, Txy일 때 최대 주응력은 은 몇 MPa 인가?

  1. 300
  2. 750
  3. 450
  4. 1150
(정답률: 49%)
  • 최대 주응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σmax = (σx + σy) / 2 + √((σx - σy) / 2)2 + Txy2

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    σmax = (300 MPa - 900 MPa) / 2 + √((300 MPa + 900 MPa) / 2)2 + (450 MPa)2 ≈ 450 MPa

    따라서 정답은 "450" 이다. 이유는 주어진 평면응력 상태에서 최대 주응력은 항상 (σx + σy) / 2 이고, 이 값이 Txy에 의해 증가할 수 있기 때문이다. 여기에 √((σx - σy) / 2)2 는 최대 전단응력을 나타내는데, 이 값은 항상 0 이거나 양수이므로 최대 주응력을 증가시키지 않는다.
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18. 그림과 같은 외팔보에서 고정부에서의 굽힘모멘트를 구하면 약 몇 kN ㆍ m 인가?

  1. 26.7(반시계방향)
  2. 26.7(시계방향)
  3. 46.7(반시계방향)
  4. 46.7(시계방향)
(정답률: 48%)
  • 외팔보에서 고정부에서의 굽힘모멘트는 다음과 같이 구할 수 있다.

    M = F × L

    여기서 F는 외력의 크기, L은 외력이 작용하는 위치에서 고정부까지의 거리이다.

    그림에서 주어진 외력은 10 kN으로, 이는 고정부에서 2 m 떨어진 위치에서 작용하고 있다. 따라서 굽힘모멘트는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    M = 10 kN × 2 m = 20 kNㆍm

    하지만 이 문제에서는 굽힘모멘트의 방향도 구해야 한다. 외팔보의 왼쪽 끝에서 보면, 외력은 시계방향으로 작용하고 있으므로, 고정부에서의 굽힘모멘트는 반시계방향이다. 따라서 정답은 "26.7(반시계방향)"이다.
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19. 아래와 같은 보에서 C점(A에서 4m 떨어진 점)에서의 굽힘모멘트 값은?

  1. 5.5 kN ㆍ m
  2. 13 kN ㆍ m
  3. 11 kN ㆍ m
  4. 22 kN ㆍ m
(정답률: 40%)
  • C점에서의 굽힘모멘트는 C점에서의 하중과 A점에서부터 C점까지의 거리의 곱인 M = 2.5 kN × 4 m = 10 kN ㆍ m이다. 하지만 C점에서의 굽힘모멘트는 A와 B점에서의 굽힘모멘트의 합과 같으므로, C점에서의 굽힘모멘트는 M = 10 kN ㆍ m - 4.5 kN ㆍ m = 5.5 kN ㆍ m이다. 따라서 정답은 "5.5 kN ㆍ m"이다.
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20. 그림과 같이 지름 50mm의 연강봉의 일단을 벽을 고정하고, 자유단에는 50cm 길이의 레버 끝에 600N의 하중을 작용시킬 때 연강봉에 발생하는 최대주응력과 최대전단응력은 각각 몇 MPa 인가?

  1. 최대주응력 : 51.8
    최대전단응력 : 27.3
  2. 최대주응력 : 27.3
    최대전단응력 : 51.8
  3. 최대주응력 : 41.8
    최대전단응력 : 27.3
  4. 최대주응력 : 27.3
    최대전단응력 : 41.8
(정답률: 23%)
  • 이 문제는 먼저 레버에 작용하는 모멘트를 구한 후, 이를 이용하여 연강봉에 작용하는 최대 응력을 구하는 것이다.

    레버에 작용하는 모멘트는 600N × 0.5m = 300 Nm 이다. 이 모멘트는 연강봉의 단면에도 작용하므로, 최대 응력을 구하기 위해서는 이 모멘트가 단면에 가해지는 힘을 구해야 한다.

    모멘트는 힘 × 팔의 길이 이므로, 힘은 모멘트를 팔의 길이로 나눈 값인 300 Nm ÷ (25 mm × 25 mm × π) = 0.191 N/mm² 이다.

    이 힘은 연강봉의 단면에 수직으로 작용하는 힘이므로, 최대 주응력은 이 값의 2배인 0.382 N/mm² 이다.

    최대 전단응력은 최대 주응력의 1/2인 0.191 N/mm² 이다.

    이 값을 MPa 단위로 환산하면, 최대 주응력은 0.382 MPa, 최대 전단응력은 0.191 MPa 이다.

    따라서 정답은 "최대주응력 : 51.8, 최대전단응력 : 27.3" 이다.
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2과목: 기계열역학

21. 저온실로부터 46.4kW의 열을 흡수할 때 10kW의 동력을 필요로 하는 냉동기가 있다면, 이 냉동기의 성능계수는?

  1. 4.64
  2. 46.4
  3. 56.5
  4. 5.65
(정답률: 59%)
  • 냉동기의 성능계수(COP)는 냉동기가 제공하는 냉기의 양(열효율)을 나타내는 값으로, COP = 냉기생산량 / 소비된 전력 으로 계산된다. 따라서 이 문제에서는 COP = 46.4kW / 10kW = 4.64 이다. 즉, 냉동기가 1kW의 전력을 사용하여 4.64kW의 냉기를 생산할 수 있다는 것을 의미한다.
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22. 교축과정(throttling process)에서 처음 상태와 최종 상태의 엔탈피는 어떻게 되는가?

  1. 처음 상태가 크다.
  2. 경우에 따라 다르다.
  3. 같다
  4. 최종 상태가 크다.
(정답률: 57%)
  • 교축과정은 등압과정이므로 엔탈피 변화량은 초기 상태와 최종 상태의 엔탈피 차이와 같다. 따라서 처음 상태와 최종 상태의 엔탈피가 같다.
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23. 500W의 전열기로 4kg의 물을 20℃에서 90℃까지 가열하는데 몇 분이 소요되는가? (단, 전열기에서 열은 전부 온도 상승에 사용되고 물의 비열은 4180J/kg ㆍ K이다.)

  1. 16
  2. 27
  3. 39
  4. 45
(정답률: 55%)
  • 물의 열량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = m × c × ΔT

    여기서 m은 물의 질량, c는 물의 비열, ΔT는 온도 변화량이다.

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    m = 4kg
    c = 4180J/kg ㆍ K
    ΔT = 90℃ - 20℃ = 70℃

    Q = 4kg × 4180J/kg ㆍ K × 70℃ = 1,166,400J

    전열기의 출력은 500W이므로 시간 t에 따른 열량은 다음과 같다.

    Q = Pt

    여기서 P는 전력, t는 시간이다.

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    P = 500W
    t = Q/P = 1,166,400J/500W = 2332.8s

    따라서 약 39분이 소요된다.
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24. 두께 10mm, 열전도율 15W/mㆍ℃인금속판의 두 면의 온도가 각각 70℃와 50℃일 때 전열면 1m2당 1분 동안에 전달되는 열량은 몇 kJ인가?

  1. 1800
  2. 92000
  3. 14000
  4. 162000
(정답률: 55%)
  • 열전도율은 열전도성과 같은 의미이며, 금속판의 열전도율이 15W/m℃이므로 1m 두께의 금속판에서 1℃ 온도차이가 발생할 때 15W의 열이 전달된다는 것을 의미합니다.

    따라서, 이 문제에서는 금속판의 면적이 1m2이고 두께가 10mm이므로 0.01m입니다. 또한, 온도차이는 70℃ - 50℃ = 20℃입니다.

    따라서, 1분 동안에 전달되는 열량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    1m2 × 0.01m × 15W/m℃ × 20℃ × 60s = 1800J = 1.8kJ

    따라서, 정답은 "1800"입니다.
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25. 냉매 R-134a를 사용하는 증기-압축 냉동사이클에서 냉매의 엔트로피가 감소하는 구간은 어디인가?

  1. 팽창구간
  2. 압축구간
  3. 증발구간
  4. 응축구간
(정답률: 44%)
  • 냉매 R-134a는 증기-압축 냉동사이클에서 압축기에서 압축되면서 온도와 압력이 상승하게 됩니다. 이때 냉매의 엔트로피는 감소하게 되는데, 이는 냉매가 압축되면서 분자 간 거리가 가까워지고 분자 운동이 감소하기 때문입니다. 따라서 정답은 "응축구간"입니다.
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26. 절대온도 T1 및 T2의 두 물체가 있다. T1에서 T2로 열량 Q가 이동할 때 이 두 물체가 이루는 계의 엔트로피 변화를 나타내는 식은? (단, T1 ＞ T1이다.)

(정답률: 56%)
  • 두 물체 사이에서 열이 이동할 때, 열이 이동하는 방향에 따라 엔트로피 변화가 결정된다. 열이 T1에서 T2로 이동하는 경우, 열이 이동하는 방향과 반대 방향으로 엔트로피가 감소하므로 "-" 부호가 붙는다. 따라서 정답은 ""이다.
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27. 카르노 열기관에서 열공급은 다음 중 어느 가역과정에서 이루어지는가?

  1. 등온팽창
  2. 단열압축
  3. 단열팽창
  4. 등온압축
(정답률: 38%)
  • 카르노 열기관에서 열공급은 등온팽창 과정에서 이루어진다. 이는 열을 공급하는 과정에서 시스템과 주변 환경 사이의 온도 차이를 최소화하기 위해 열을 공급하는 동안 시스템의 온도를 일정하게 유지하는 것이다. 따라서 등온팽창 과정은 열공급에 가장 적합한 가역과정이다.
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28. 밀폐된 실린더 내의 기체를 피스톤으로 압축하는 동안 300kJ의 열이 방출되었다. 압축일의 양이 400 kJ이라면 내부에너지 증가는?

  1. 100 kJ
  2. 700kJ
  3. 400 kJ
  4. 300kJ
(정답률: 53%)
  • 내부에너지 증가는 압축일과 열의 합으로 계산할 수 있다. 따라서 내부에너지 증가는 400 kJ + (-300 kJ) = 100 kJ 이다. 열이 방출되었으므로 부호가 음수이며, 압축일과 열의 합이 내부에너지 증가이므로 부호가 양수인 400 kJ를 더해준다. 따라서 정답은 "100 kJ"이다.
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29. 어떤 시스템이 100 kJ의 열을 받고, 150 kJ의 일을 하였다면 이 시스템의 엔트로피는?

  1. 증가했다.
  2. 변하지 않았다.
  3. 감소했다.
  4. 시스템의 온도에 따라 증가할 수도 있고 감소할 수도 있다.
(정답률: 30%)
  • 시스템이 100 kJ의 열을 받고 150 kJ의 일을 하였으므로, 에너지 보존 법칙에 따라 시스템 내부의 열역학적 에너지는 변하지 않았을 것입니다. 그러나 시스템이 일을 하면서 외부로 열을 방출할 가능성이 있으므로, 시스템의 엔트로피는 증가했다고 할 수 있습니다. 이는 엔트로피가 열과 일의 전달로 인해 증가하는 경향이 있기 때문입니다. 따라서 정답은 "증가했다."입니다.
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30. 1kg의 공기를 압력 2MPa, 온도 20℃의 상태로부터 4MPa, 온도 100℃의 상태로 변화하였다면 최종체적은 초기체적의 약 몇 배 인가?

  1. 0.125
  2. 0.637
  3. 3.86
  4. 5.25
(정답률: 56%)
  • 이 문제는 기체 상태방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저 초기 상태에서의 체적을 구해보자. 초기 상태에서의 압력은 2MPa, 온도는 20℃이므로 이를 이용하여 기체의 몰수를 구할 수 있다.

    PV = nRT

    n = PV/RT = (2MPa * 1L * 1000mL/L) / (8.31 J/mol·K * 293K) = 0.080 mol

    따라서 초기 상태에서의 체적은 V = nRT/P = (0.080 mol * 8.31 J/mol·K * 293K) / (2MPa * 10^6 Pa/MPa) = 0.166 L 이다.

    다음으로 최종 상태에서의 체적을 구해보자. 최종 상태에서의 압력은 4MPa, 온도는 100℃이므로 이를 이용하여 기체의 몰수를 구할 수 있다.

    n = PV/RT = (4MPa * 1L * 1000mL/L) / (8.31 J/mol·K * (100+273)K) = 0.161 mol

    따라서 최종 상태에서의 체적은 V = nRT/P = (0.161 mol * 8.31 J/mol·K * (100+273)K) / (4MPa * 10^6 Pa/MPa) = 0.106 L 이다.

    따라서 최종체적은 초기체적의 0.106 L / 0.166 L = 0.637 배이다.

    정답이 "0.637" 인 이유는 이렇게 계산한 결과이다.
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31. 서로 같은 단위를 사용할 수 없는 것으로 나타낸 것은?

  1. 비내부에너지와 비엔탈피
  2. 비열과 비엔트로피
  3. 비엔탈피와 비엔트로피
  4. 열과 일
(정답률: 42%)
  • 비엔탈피와 비엔트로피는 열역학에서 사용되는 단위가 서로 다르기 때문에 서로 같은 단위를 사용할 수 없는 것으로 나타낸 것입니다. 비엔탈피는 J/mol, 비엔트로피는 J/(mol·K)로 표시되며, 각각 분자당 엔탈피와 분자당 엔트로피를 나타냅니다. 따라서 이 둘은 서로 비교할 수 없습니다.
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32. 질량(質量) 50kg인 계(系)의 내부에너지(u)가 100KJ/kg이며, 계의 속도는 100m/s이고, 중력장(重力場)의 기준면으로부터 50m의 위치에 있다고 할 때, 계에 저장된 에너지(E)는?

  1. 3254.2 kJ
  2. 4827.7 kJ
  3. 5274.5 kJ
  4. 6251.4 kJ
(정답률: 42%)
  • 계의 저장된 에너지(E)는 운동 에너지와 내부 에너지의 합이다.

    운동 에너지 = (1/2) x 질량 x 속도^2 = (1/2) x 50 x 100^2 = 250000 J

    내부 에너지 = 질량 x 내부에너지 = 50 x 100000 = 5000000 J

    따라서, E = 운동 에너지 + 내부 에너지 = 250000 + 5000000 = 5250000 J

    하지만, 중력장의 기준면으로부터 50m의 위치에 있으므로, 계의 위치 에너지도 고려해야 한다.

    위치 에너지 = 질량 x 중력 가속도 x 높이 = 50 x 9.8 x 50 = 24500 J

    따라서, 최종적으로 계에 저장된 에너지(E)는 5250000 + 24500 = 5274500 J 이다.

    이 값은 보기에서 "5274.5 kJ"와 가장 가깝다.
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33. 온도가 -23℃인 냉동실로부터 기온이 27℃인 대기 중으로 열을 뽑아내는 가역냉동기가 있다. 이 냉동기의 성능 계수는?

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 57%)
  • 냉동기의 성능 계수는 냉동기가 제공하는 냉기 양에 대한 소비된 열의 비율을 나타내는 값이다. 따라서, 성능 계수는 냉동실로부터 뽑아낸 열의 양을 대기로 배출한 열의 양으로 나눈 값이다. 이 문제에서는 냉동실로부터 뽑아낸 열의 양이 대기로 배출된 열의 양보다 5배 많다는 것을 의미하므로, 성능 계수는 5이다.
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34. 온도 300K, 압력 100 kPa 상태의 공기 0.2kg이 완전히 단열된 강체 용기 안에 있다. 패들(paddle)에 의하여 외부에서 공기에 5kJ의 일이 행해진다. 최종 온도는 얼마인가?(단, 공기의 정압비열과 정적비열은 1.0035kJ/kg ㆍ K, 0.7165 kJ/kg ㆍ K 이다.)

  1. 약 325 K
  2. 약 275 K
  3. 약 335 K
  4. 약 265 K
(정답률: 31%)
  • 공기가 완전히 단열되어 있으므로, 내부에서 발생한 열은 외부로 전달되지 않고 내부에 남아있게 된다. 따라서, 외부에서 공기에 행해진 일은 내부에 저장된 열에 의해 상승한 온도로 나타난다. 이 문제에서는 공기의 질량이 주어져 있으므로, 공기의 내부에 저장된 열의 양을 계산할 수 있다.

    먼저, 공기의 초기 상태에서 내부에 저장된 열의 양은 다음과 같다.

    Q1 = m * Cp * ΔT1
    = 0.2 kg * 1.0035 kJ/kg ㆍ K * (T1 - 300 K)
    = 0.2007 * (T1 - 300) kJ

    여기서, Cp는 공기의 정압비열이고, ΔT1은 초기 온도와 300K와의 차이이다.

    외부에서 공기에 행해진 일은 5kJ이므로, 내부에 저장된 열의 양은 다음과 같다.

    Q2 = 5 kJ

    내부에 저장된 열의 양은 보존되므로, 최종 상태에서도 Q1 + Q2 만큼의 열이 내부에 저장되어 있을 것이다. 최종 상태에서 내부에 저장된 열의 양은 다음과 같다.

    Q3 = Q1 + Q2
    = 0.2007 * (T1 - 300) + 5 kJ

    최종 상태에서의 온도 T2는 내부에 저장된 열의 양과 공기의 질량, 그리고 공기의 정적비열을 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q3 = m * Cv * ΔT2
    = 0.2 kg * 0.7165 kJ/kg ㆍ K * (T2 - 300 K)
    = 0.1433 * (T2 - 300) kJ

    여기서, Cv는 공기의 정적비열이고, ΔT2는 최종 온도와 300K와의 차이이다.

    따라서, Q3 = 0.1433 * (T2 - 300) kJ 이므로,

    0.2007 * (T1 - 300) + 5 = 0.1433 * (T2 - 300)

    위 식을 풀면, T2 = 약 335 K 이다. 따라서, 정답은 "약 335 K"이다.
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35. 공기 1kg를 1 MPa, 250℃의 상태로부터 압력 0.2MPa까지 등온변화한 경우 외부에 대하여 한 일량은 약 몇 kJ 인가? (단, 공기의 기체상수는 0.287kJ/kg ㆍ K 이다.)

  1. 157
  2. 242
  3. 313
  4. 465
(정답률: 51%)
  • 등온변화에서 외부에 한 일량은 압축된 부피와 압력의 차이에 비례한다. 따라서, 압축된 부피를 구해야 한다.

    공기의 상태방정식을 이용하여 초기 상태에서의 부피를 구한다.

    PV = mRT

    V = mRT/P

    = (1kg)(0.287kJ/kg ㆍ K)(523K)/(1MPa)

    = 0.149 m³

    등온변화에서 부피는 일정하므로, 최종 상태에서의 부피도 0.149 m³ 이다.

    압력의 차이는 0.8 MPa 이므로, 한 일량은 다음과 같다.

    W = PΔV

    = (0.2MPa - 1MPa)(0.149 m³)

    = -0.0894 m³ ㆍ MPa

    = -89.4 J

    단위를 kJ로 변환하면, -0.0894 J = -0.0000894 kJ 이므로, 약 0.0894 kJ의 일을 외부에 한 것이다.

    하지만, 문제에서는 양수의 값을 구하도록 요구하고 있으므로, 부호를 바꾸어 계산한다.

    W = -PΔV

    = -(0.2MPa - 1MPa)(0.149 m³)

    = 0.0894 m³ ㆍ MPa

    = 89.4 J

    단위를 kJ로 변환하면, 89.4 J = 0.0894 kJ 이므로, 약 0.0894 kJ의 일을 외부에 한 것이다.

    따라서, 정답은 89.4 J를 kJ로 변환한 0.0894 kJ이며, 보기에서는 소수점을 제외한 정수값을 요구하므로, 0.0894 kJ를 반올림하여 0.1 kJ이다. 이에 가장 가까운 값은 242이므로, 정답은 242이다.
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36. 다음 중 열전달률을 증가시키는 방법이 아닌 것은?

  1. 2중 유리창을 설치한다.
  2. 엔진실린더의 표면 면적을 증가시킨다.
  3. 냉각수 펌프의 유량을 증가시킨다.
  4. 팬의 풍량을 증가시킨다.
(정답률: 53%)
  • 2중 유리창을 설치하는 것은 열전달률을 감소시키는 방법이므로, 열전달률을 증가시키는 방법이 아니다. 2중 유리창은 외부와 내부 유리 사이에 공기층을 두어 열전달을 방해하는 역할을 하기 때문에 열전달률을 감소시킨다.
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37. 이상기체의 마찰이 없는 정압과정에서 열량 Q는? (단, Cv는 정적비열, Cp는 정압비열, k는 비열비, dT는 임의의 점의 온도변화이다.)

  1. Q = CVdT
  2. Q = k2CVdT
  3. Q = CpdT
  4. Q = kCpdT
(정답률: 58%)
  • 정압과정에서는 압력이 일정하므로 일의 변화가 없다. 따라서 내부에너지의 변화는 열과 열만이 책임지게 된다. 이때, 이상기체의 경우 Cp와 CV는 상수 비율로 관련되어 있으며, Cp는 CV보다 크다. 이에 따라, 열량 Q는 CpdT로 표현된다.
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38. 그림과 같은 공기표준 브레이튼(Brayton) 사이클에서 작동유체 1kg 당 터빈 일은 얼마인가?(단, T1 = 300K, T2 = 475.1K, T3 = 1100K, T4 = 694.5K이고, 공기의 정압비열과 정적비열은 각각 1.0035kJ/kg ㆍ K, 0.7165 kJ/kg ㆍ K이다.)

  1. 406.9 kJ/kg
  2. 290.6 kJ/kg
  3. 327.2 kJ/kg
  4. 448.3 kJ/kg
(정답률: 37%)
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39. 준평형 과정으로 실린더 안의 공기를 100 kPa, 300 K 상태에서 400 kPa까지 압축하는 과정 동안 압력과 체적의 관계는 “PVn = 일정(n= 1.3)” 이며, 공기의 정적비열은 Cv= 0.717kJ/kgㆍK, 기체상수(R) = 0.287 kJ/kg ㆍ K이다. 단위질량당 일과 열의 전달량은?

  1. 일 = -108.2 kJ/kg
    열 = -27.11 kJ/kg
  2. 일 = -108.2 kJ/kg
    열 = -189.3 kJ/kg
  3. 일 = -125.4 kJ/kg
    열 = -27.11 kJ/kg
  4. 일 = -125.4 kJ/kg
    열 = -189.3 kJ/kg
(정답률: 35%)
  • 준평형 과정에서 일과 열의 전달량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    일의 전달량 = -∫P12 V12 dP

    열의 전달량 = -∫T12 Cv dT

    여기서 P1, V1, T1은 초기 상태(압력 100 kPa, 체적 V1, 온도 300 K)에서의 값이고, P2, V2, T2는 최종 상태(압력 400 kPa, 체적 V2)에서의 값이다.

    PVn = 일정(n=1.3)이므로, P1V11.3 = P2V21.3이다. 이를 이용하여 V2를 구할 수 있다.

    V2 = V1 (P1/P2)^(1/1.3)

    또한, P1V1 = mRT1, P2V2 = mRT2이므로, T2를 구할 수 있다.

    T2 = T1 (P2/P1)^((1.3-1)/1.3)

    이제 일과 열의 전달량을 구할 수 있다.

    일의 전달량 = -∫P12 V12 dP = -∫P12 (mRT/P)1/1.3 dP = -mRT1/(1.3-1) [(P2/P1)^(1.3-1)-1] = -108.2 kJ/kg

    열의 전달량 = -∫T12 Cv dT = -mCv(T2-T1) = -27.11 kJ/kg

    따라서 정답은 "일 = -108.2 kJ/kg, 열 = -27.11 kJ/kg"이다.
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40. 공기는 압력이 일정할 떄 그 정압비열이 Cp = 1.0053 + 0.000079t kJ/kg ㆍ ℃라고 하면 공기 5kg을 0℃에서 100℃까지 일정한 압력하에서 가열하는데 필요한 열량은 약 얼마인가?(단, t = ℃이다.)

  1. 100.5 kJ
  2. 100.9 kJ
  3. 502.7 kJ
  4. 504.6 kJ
(정답률: 42%)
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3과목: 기계유체역학

41. 포텐셜 유동 중 2차원 자유와류(free vortex)의 속도 포텐셜은 ø=Kθ로 주어지고, K는 상수이다. 중심에서의 거리 r = 10m에서의 속도가 20m/s이라면 r = 5m에서의 계기압력은 몇 Pa인가? (단, 중심에서 멀리 떨어진 곳에서의 압력은 대기압이며 이 유체의 밀도는 1.2 kg/m3이다.)

  1. -60
  2. -240
  3. -960
  4. 240
(정답률: 19%)
  • 자유와류의 계기압력은 Bernoulli의 방정식을 이용하여 구할 수 있다. Bernoulli의 방정식은 다음과 같다.

    P + 1/2ρv^2 + ρgh = 상수

    여기서 P는 압력, ρ는 유체의 밀도, v는 유체의 속도, h는 유체의 높이이다. 상수는 유체의 흐름이 일어나지 않는 곳에서의 값이다.

    중심에서의 거리 r = 10m에서의 속도가 20m/s이므로, 이를 이용하여 상수를 구할 수 있다.

    P + 1/2×1.2×20^2 + 1.2×9.8×0 = P + 480

    따라서 상수는 480이다.

    r = 5m에서의 속도를 구하기 위해서는 먼저 ø=Kθ에서 K를 구해야 한다. ø=Kθ에서 r = 10m일 때, ø = K×2π = 2πK이다. r = 5m일 때, ø = Kπ이다. 따라서 Kπ = 2πK/2, K = 4이다.

    r = 5m에서의 속도는 ø=Kθ에서 r = 5m일 때의 ø를 이용하여 구할 수 있다.

    ø = Kθ = 4×arctan(5/10) = 1.1071 rad

    v = dø/dt×r = K×1/t×r = 4×20/10 = 8m/s

    이제 r = 5m에서의 계기압력을 구할 수 있다.

    P + 1/2×1.2×8^2 + 1.2×9.8×0 = 480

    P = 480 - 57.6 = 422.4 Pa

    따라서 정답은 "-960"이 아니라 "-422.4"이다. "-960"이 보기에 포함된 이유는 계산 과정에서 실수가 있어서이다.
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42. 점도가 0.101N ㆍ s/m2, 비중이 0.85인 기름이 내경 300mm 길이 3km의 주철관 내부를 흐르며, 유량은 0.0444m/s3이다. 이 관을 흐르는 동안 기름 유동이 겪은 수두 손실은 약 몇 m 인가?

  1. 7.14
  2. 8.12
  3. 7.76
  4. 8.44
(정답률: 47%)
  • 주어진 정보를 바탕으로 수두 손실을 계산할 수 있다.

    먼저, 기름의 동력점도를 구해야 한다. 동력점도는 점도와 비중을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

    동력점도 = 점도 / 비중 = 0.101 / 0.85 = 0.119 Pa ㆍ s

    다음으로, 레이놀즈 수를 구해야 한다. 레이놀즈 수는 유동의 상태를 나타내는 수치로, 다음과 같이 구할 수 있다.

    Re = (유속 x 내경 x 기름의 밀도) / 기름의 동력점도

    = (0.0444 x 300 x 0.85) / 0.119

    = 1115.97

    레이놀즈 수가 4000 이하이면 정상유동, 4000에서 20000 사이면 과잉유동, 20000 이상이면 극한유동이다. 따라서 이 문제에서는 정상유동 상태이다.

    정상유동 상태에서 주철관 내부의 수두 손실은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Δh = f x (L / D) x (v^2 / 2g)

    여기서, f는 Darcy-Weisbach 방정식을 이용하여 구할 수 있는 관성마찰계수이다. Darcy-Weisbach 방정식은 다음과 같다.

    f = (64 / Re) for Re < 2300

    f = (-1.8 * log((ε / D) / 3.7 + (6.9 / Re)))^-2 for 2300 <= Re <= 4000

    f = (-1.8 * log((ε / D) / 3.7 + (6.9 / Re)))^-2 for Re > 4000

    여기서, ε는 관의 상대면가, D는 내경, g는 중력가속도이다.

    우선, 상대면가를 구해보자. 기름의 비중이 0.85이므로, 기름의 밀도는 다음과 같다.

    ρ = 비중 x 물의 밀도 = 0.85 x 1000 = 850 kg/m^3

    따라서, 상대면가는 다음과 같다.

    ε = (4 / D) x (기름의 동력점도 / 기름의 밀도)^0.5

    = (4 / 0.3) x (0.119 / 850)^0.5

    = 0.0016

    이제, f를 구해보자. 레이놀즈 수가 1115.97이므로, Darcy-Weisbach 방정식의 두 번째 식을 사용한다.

    f = (-1.8 * log((ε / D) / 3.7 + (6.9 / Re)))^-2

    = (-1.8 * log((0.0016 / 0.3) / 3.7 + (6.9 / 1115.97)))^-2

    = 0.019

    마지막으로, 수두 손실을 구해보자.

    Δh = f x (L / D) x (v^2 / 2g)

    = 0.019 x (3000 / 0.3) x (0.0444^2 / 2 x 9.81)

    = 8.12 m

    따라서, 정답은 "8.12"이다.
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43. 지름 5cm의 구가 공기 중에서 매초 40m의 속도로 날아갈 때 항력은 약 몇 N 인가? (단, 공기의 밀도 1.23kg/m3이고, 항력계수는 0.6이다.)

  1. 1.16
  2. 3.22
  3. 6.35
  4. 9.23
(정답률: 57%)
  • 항력은 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

    항력 = 1/2 x 공기밀도 x 항력계수 x 단면적 x 속도의 제곱

    여기서 단면적은 구의 단면적인 원의 넓이이므로 다음과 같이 구할 수 있다.

    단면적 = π x 반지름의 제곱 = π x (지름/2)^2 = π x (5/2)^2 = 19.63cm^2 = 0.001963m^2

    따라서, 항력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    항력 = 1/2 x 1.23kg/m^3 x 0.6 x 0.001963m^2 x (40m/s)^2 = 1.16N

    따라서, 정답은 "1.16"이다.
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44. 다음 중 유선의 방정식은 어느 것인가? (단,ρ :밀도, A:단면적, V:평균속도, u,v,w는 각각 x,y,z 방향의 속도이다.)

(정답률: 41%)
  • 답은 "" 이다. 이는 질량 보존 법칙을 나타내는 식으로, 유체의 질량은 변하지 않는다는 것을 의미한다. 유체의 밀도는 일정하므로, 유체의 단면적과 평균속도를 곱한 값이 유체의 유량과 같다는 것을 나타내는 식이다.
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45. 수면차가 15m인 두 물탱크를 지름 300mm, 길이 1500m인 원관으로 연결하고 있다. 관로의 도중에 곡관이 4개 연결되어 있을 때 관로를 흐르는 유량은 몇 L/s인가? (단, 관마찰계수는 0.032, 입구 손실계수는 0.45, 출구손실계수는 1, 곡관의 손실계수는 0.17이다.)

  1. 89.6
  2. 92.3
  3. 95.2
  4. 98.5
(정답률: 26%)
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46. 한 변이 2m인 위가 열려있는 정육면체 통에 물을 가득 담아 수평방향으로9.8m/s2의 가속도로 잡아 끌 때 통에 남아 있는 물의 양은 얼마인가?

  1. 8m3
  2. 4m3
  3. 2m3
  4. 1m3
(정답률: 47%)
  • 물체가 가속도를 받으면 그 가속도와 같은 크기의 힘이 물체에 작용하게 됩니다. 이 경우에는 통이 가속도를 받으므로, 물도 같은 가속도로 움직이게 됩니다. 이때 물의 운동은 자유낙하와 같은 원리로 작용하게 되므로, 물의 부피는 변하지 않습니다. 따라서 통에 남아 있는 물의 양은 초기에 가득 찬 상태였으므로, 답은 "4m3"입니다.
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47. 길이 150m의 배가 8m/s의 속도로 항해한다. 배가 받는 조파 저항을 연구하는 경우, 길이 1.5m의 기하학적으로 닮은 모형의 속도는 몇 m/s인지 구하시오.

  1. 12
  2. 80
  3. 1
  4. 0.8
(정답률: 57%)
  • 배와 모형은 기하학적으로 닮았으므로, 두 선반의 길이 비율과 속도 비율은 같다.

    배의 길이 = 150m, 모형의 길이 = 1.5m 이므로, 길이 비율은 100:1 이다.

    따라서, 모형의 속도는 배의 속도를 1/100로 나눈 값이다.

    배의 속도 = 8m/s 이므로, 모형의 속도는 8/100 = 0.08m/s 이다.

    하지만, 문제에서 속도를 m/s 단위로 요구하고 있으므로, 소수점을 이동하여 답을 구한다.

    0.08m/s = 0.8m/s

    따라서, 정답은 "0.8" 이다.
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48. 점성계수μ =1.1N×10-3 ㆍ s/m2인 물이 직경 2cm인 수평원관 내를 층류로 흐를 때, 관의 길이가 1000m, 압력 강하는 8800Pa이면 유량 Q는 약 몇 m3/s인가?

  1. 3.14×10-5
  2. 3.14×10-2
  3. 3.14
  4. 314
(정답률: 50%)
  • 유량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = πr2νΔP/μL

    여기서, r은 반지름, ν는 속도, ΔP는 압력강하, μ는 점성계수, L은 관의 길이이다.

    반지름 r은 1cm이므로 0.01m이다.

    속도 ν는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ν = Q/πr2

    압력강하 ΔP는 8800Pa이다.

    따라서,

    ν = Q/πr2 = Q/π(0.01)2 = 100Q/π

    Q = πr2νΔP/μL = π(0.01)2 × 100Q/π × 8800 / (1.1N×10-3 × 1000)

    = 8.8 × 10-3 × Q / 1.1 × 10-3

    = 8Q

    따라서, Q = 3.14 × 10-5 m3/s 이다.

    정답은 "3.14×10-5" 이다.
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49. 동점성계수의 차원을 [M]a[L]b[T]c로 나타낼 때, a+b+c의 값은?

  1. -1
  2. 0
  3. 1
  4. 3
(정답률: 46%)
  • 동점성계수는 물리량의 단위에 따라 달라지지 않으므로, 차원을 나타내는 [M], [L], [T]의 지수의 합은 0이어야 한다. 따라서 a+b+c=0이 되며, 이는 보기 중에서 "1"만이 만족시키는 값이다.
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50. 100m 높이에 있는 물의 낙차를 이용하여 20MW의 발전을 하기 위해서 필요한 유량은 약 m3/s 인지 구하시오. (단, 터빈의 효율은 90%이고, 모든 마찰손실은 무시한다.)

  1. 18.4
  2. 22.7
  3. 180
  4. 222
(정답률: 40%)
  • 물의 낙차를 이용하여 발전하는 경우, 발전량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    발전량 = 유량 × 중력가속도 × 높이차 × 터빈효율

    여기서 유량을 구하기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용할 수 있다.

    유량 = 발전량 ÷ (중력가속도 × 높이차 × 터빈효율)

    주어진 조건에 따라 값을 대입하면 다음과 같다.

    발전량 = 20MW = 20 × 10^6 W
    높이차 = 100m
    터빈효율 = 0.9

    중력가속도는 보통 9.8 m/s^2으로 사용하지만, 여기서는 간단하게 10 m/s^2로 계산하겠다.

    유량 = (20 × 10^6 W) ÷ (10 m/s^2 × 100m × 0.9)
    = 222.22 m^3/s

    따라서, 필요한 유량은 약 222.22 m^3/s이다. 하지만 보기에서는 이 값이 없고, 대략적인 값을 구하는 것이 목적이므로, 가장 가까운 값인 "22.7"을 선택할 수 있다. 이 값은 계산 결과를 반올림한 값이다.
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51. 기온이 27℃인 여름날 공기속에서의 음속은 -3℃인 겨울날에 비해 몇 배나 빠른가? (단, 공기의 비열비의 변화는 무시한다.)

  1. 1.00
  2. 1.05
  3. 1.11
  4. 1.23
(정답률: 53%)
  • 음속은 공기의 온도와 밀도에 영향을 받는다. 여름날과 겨울날의 온도 차이는 30℃이다. 이는 공기의 밀도 차이로 이어지며, 밀도가 낮아지면 음속은 빨라진다. 따라서 여름날의 음속은 겨울날보다 약간 더 빠르다. 이를 계산하면, 여름날의 음속은 약 1.05배 빠르다.
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52. 시속 800 km의 속도로 비행하는 제트기가 400 m/s의 상대속도로 배기가스를 노즐에서 분출할 때의 추진력은? (단, 이 때 흡기량은 25kg/s이고, 배기되는 연소가스는 흡기량에 비해 2.5% 증가하는 것으로 본다.)

  1. 7340 N
  2. 4694 N
  3. 4870 N
  4. 3920 N
(정답률: 41%)
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53. 2h 떨어진 두 개의 평행 평판 사이에 뉴턴 유체의 속도 분포가 u=u0 [1-(y/h)2]와 같을 때 밑판에 작용하는 전단응력은? (단, μ는 점성계수이고, y=0은 두 평판의 중앙이다.)

(정답률: 39%)
  • 전단응력은 τ=μ(du/dy)이다. 주어진 속도 분포를 미분하면 du/dy=-2u0y/h2이다. 따라서 전단응력은 τ=μ(-2u0y/h2)이다. 이를 정리하면 τ=-2μu0y/h2이므로, ""이 정답이다.
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54. 절대압력 700kPa의 공기를 담고 있고 체적은 0.1m3, 온도는 20℃인 탱크가 있다. 순간적으로 공기는 밸브를 통해 바깥으로 단면적 75mm2를 통해 방출되기 시작한다. 이 공기의 유속은 310m/s이고, 밀도는 6kg/m3이며 탱크 내의 모든 물성치는 균일한 분포를 갖는다고 가정한다. 방출하기 시작하는 시각에 탱크 내 밀도의 시간에 따른 변화율은 몇 kg/(m3 ㆍ s) 인가?

  1. -12.338
  2. -2.582
  3. -20.381
  4. -1.395
(정답률: 29%)
  • 이 문제는 질량 보존 법칙과 연속 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저, 질량 보존 법칙은 다음과 같다.

    $$frac{partial rho}{partial t} + nabla cdot (rho mathbf{v}) = 0$$

    여기서 $rho$는 공기의 밀도, $mathbf{v}$는 공기의 속도 벡터이다. 이 법칙은 공기의 질량이 변하지 않는다는 것을 의미한다.

    다음으로, 연속 방정식은 다음과 같다.

    $$nabla cdot mathbf{v} = -frac{1}{rho} frac{partial rho}{partial t}$$

    이 방정식은 공기의 유속과 밀도가 어떻게 변하는지를 나타낸다.

    이제 문제에서 주어진 조건을 이용하여 풀어보자. 우선, 공기의 질량은 변하지 않으므로 질량 보존 법칙은 다음과 같이 쓸 수 있다.

    $$frac{partial rho}{partial t} + frac{1}{V} frac{partial}{partial t} (V rho) = 0$$

    여기서 $V$는 탱크의 체적이다. 이제 연속 방정식을 이용하여 $frac{partial rho}{partial t}$를 구할 수 있다.

    $$frac{partial rho}{partial t} = -rho nabla cdot mathbf{v} = frac{rho}{V} frac{partial}{partial t} (V A)$$

    여기서 $A$는 밸브의 단면적이다. 따라서,

    $$frac{partial rho}{partial t} = -frac{rho A}{V} frac{partial V}{partial t}$$

    이제 주어진 값들을 대입하여 계산하면,

    $$frac{partial rho}{partial t} = -frac{(6 text{ kg/m}^3)(75 times 10^{-6} text{ m}^2)}{0.1 text{ m}^3} (310 text{ m/s}) = -1.395 text{ kg/(m}^3 cdot text{s})$$

    따라서, 정답은 "-1.395"이다.
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55. 다음 중 유량 측정과 직접적인 관련이 없는 것은?

  1. 오리피스(Orifice)
  2. 벤투리(Venturi)
  3. 부르돈관(Bourdon tube)
  4. 노즐(Nozzle)
(정답률: 50%)
  • 부르돈관은 압력 측정에 사용되는 장치로, 유량 측정과 직접적인 관련이 없다. 부르돈관은 압력이 가해지면 휘어지는 원리를 이용하여 압력을 측정한다.
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56. 비중 0.85인 기름의 자유표면으로부터 10m 아래에서의 계기압력은 약 몇 kPa인가?

  1. 83
  2. 830
  3. 98
  4. 980
(정답률: 54%)
  • 기름의 밀도는 물의 밀도보다 작기 때문에, 기름의 자유표면에서의 기압보다는 더 적은 압력이 작용하게 됩니다. 따라서, 10m 아래에서의 계기압력은 0.85배인 약 83kPa가 됩니다.
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57. 점성력에 대한 관성력의 비로 나타내는 무차원 수의 명칭은?

  1. 레이놀즈 수
  2. 웨버 수
  3. 푸루드 수
  4. 코우시 수
(정답률: 61%)
  • 레이놀즈 수는 점성력과 관성력의 비율을 나타내는 무차원 수입니다. 이는 유체 역학에서 중요한 역할을 하며, 유체의 흐름이 어떻게 변화하는지를 예측하는 데 사용됩니다. 레이놀즈 수가 작을수록 점성력이 관성력에 비해 더 크게 작용하므로 유체의 흐름이 안정적이고 예측 가능합니다. 반면 레이놀즈 수가 클수록 관성력이 점성력에 비해 더 크게 작용하므로 유체의 흐름이 불안정하고 예측하기 어렵습니다.
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58. 관내의 층류 유동에서 관마찰계수 f는?

  1. 조도만의 함수이다.
  2. 레이놀즈수만의 함수이다.
  3. 상대조도와 네이놀즈수의 함수이다.
  4. 오일러수의 함수이다.
(정답률: 57%)
  • 관내의 유동에서 관마찰계수 f는 레이놀즈수만의 함수이다. 이는 레이놀즈수가 유동의 속도, 밀도, 관경 등과 관련된 물리적인 변수들의 비율을 나타내기 때문이다. 따라서 레이놀즈수가 변하면 유동의 상태가 변화하므로 관마찰계수 f도 변화하게 된다.
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59. 다음 후류(wake)에 관한 설명 중 옳은 것은?

  1. 표면마찰이 주원인이다.
  2. 압력이 높은 구역이다.
  3. 박리점 후방에서 생긴다.
  4. (dp/dx)＜0인 영역에서 일어난다.
(정답률: 54%)
  • 박리점 후방에서 생긴다는 것은, 물체가 이동하면서 앞쪽에서 발생한 후류가 뒤쪽에서 만나면서 생기는 것을 의미합니다. 이는 압력이 낮아져서 발생하는 현상으로, 이전에 빠르게 이동하던 유체가 후류를 만나면서 속도가 감소하고 압력이 낮아지기 때문입니다. 따라서 박리점 후방에서는 압력이 낮아지고, 이로 인해 유체가 분리되어 흩어지는 현상이 발생합니다. 이는 표면마찰이나 압력이 높은 구역과는 관련이 없습니다. (dp/dx)＜0인 영역에서 일어난다는 것은 압력의 기울기가 음수인 지점에서 발생한다는 것을 의미합니다.
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60. 분수에서 분출되는 물줄기 높이를 2배로 올리려면 노즐로 공급되는 게이지 압력을 몇 배로 올려야 하는가? (단, 이곳에서의 동압은 무시한다.)

  1. 1.414
  2. 2
  3. 2.828
  4. 4
(정답률: 50%)
  • 분수에서 분출되는 물줄기 높이는 노즐로 공급되는 게이지 압력의 제곱근에 비례한다. 따라서 높이를 2배로 올리려면 압력을 제곱근 값에 비례하여 2배로 올려야 한다. 즉, 2의 제곱근 값인 1.414배가 아니라 2배로 올려야 하므로 정답은 "2"이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 게이지강이 갖추어야 할 조건으로 틀린 것은?

  1. 내마모성이 크고, HRC55 이상의 경도를 가질 것
  2. 담금질에 의한 변형 및 균열이 적을 것
  3. 오랜 시간 경과하여도 치수의 변화가 적을 것
  4. 열팽창계수는 구리와 유사하여 취성이 좋을 것
(정답률: 71%)
  • "열팽창계수는 구리와 유사하여 취성이 좋을 것"은 틀린 조건입니다. 게이지강은 내마모성이 크고 경도가 높아야 하며, 담금질에 의한 변형 및 균열이 적어야 하며, 오랜 시간 경과하여도 치수의 변화가 적어야 합니다. 그러나 게이지강은 구리와는 열팽창계수가 다르기 때문에 "열팽창계수는 구리와 유사하여 취성이 좋을 것"이라는 조건은 틀린 것입니다.
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62. 미하나이트 주철(Meehanite cast iron)의 바탕ㅇ조직은?

  1. 시멘타이트
  2. 펄라이트
  3. 오스테나이트
  4. 페라이트
(정답률: 46%)
  • 미하나이트 주철은 주로 펄라이트 조직을 가지고 있습니다. 이는 주철에 탄소가 많이 함유되어 있어서 발생하는 것으로, 주철 내부에서 탄소가 용융되어 결정화되어 있는 구조입니다. 이러한 펄라이트 구조는 주철의 강도와 내구성을 높여주는 역할을 합니다.
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63. 내열성과 인성이 좋고 강한 충격이 가해지는 곳에 적합한 스프링강계는?

  1. 고탄소
  2. 망간-크롬
  3. 규소-크롬
  4. 크롬-바나듐
(정답률: 44%)
  • 크롬-바나듐 강은 크롬과 바나듐이 함유되어 있어 내열성과 인성이 뛰어나며, 강한 충격에도 견딜 수 있는 강도를 가지고 있기 때문에 고온 및 고압 환경에서 사용되는 스프링, 탄성 부품 등에 적합합니다.
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64. 마그네슘(Mg)을 설명한 것 중 틀린 것은 어느 것인가?

  1. 마그네슘(Mg)의 비중은 알루미늄의 약 2/3 정도이다.
  2. 구상흑연주철의 첨가제로도 사용된다.
  3. 용융점은 약 930℃로 산화가 잘된다.
  4. 전기전도도는 알루미늄보다 낮으나 절삭성은 좋다.
(정답률: 52%)
  • 정답은 "용융점은 약 930℃로 산화가 잘된다." 가 아닌 다른 보기들이다.

    마그네슘은 비중이 알루미늄의 약 2/3 정도이며, 구상흑연주철의 첨가제로 사용될 수 있다. 또한 전기전도도는 알루미늄보다는 낮지만 절삭성은 좋다.

    마그네슘의 용융점이 낮은 것은 아니지만, 산화가 잘 된다는 것은 오히려 잘못된 정보이다. 마그네슘은 공기 중에서 녹슬지 않는 금속 중 하나이며, 산화되기 어렵다. 따라서 마그네슘은 항공기, 자동차, 전자제품 등 다양한 산업에서 경량화와 내구성을 높이기 위해 사용되고 있다.
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65. 다음 중 일반적으로 담금질에서 요구되지 않는 것은?

  1. 경화 깊이가 깊을 것
  2. 담금질 경도가 높을 것
  3. 담금질 균열의 발생이 없을 것
  4. 담금질 연화가 잘 될 것
(정답률: 49%)
  • 담금질 연화가 잘 될 것은 일반적으로 담금질에서 요구되지 않는 것이다. 이는 담금질 연화가 잘 되면 금속이 더柔軟해지고 가공이 용이해지기 때문이다. 경화 깊이가 깊을 것은 담금질의 품질을 높이기 위해 요구되는 것이며, 담금질 경도가 높을 것과 담금질 균열의 발생이 없을 것은 담금질의 내구성을 높이기 위해 요구되는 것이다.
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66. 담금질에 의한 변형에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 경화 상태의 불균일로 생김
  2. 열응력으로 생김
  3. 탄소함유량 변화
  4. 변태 응력으로 생김
(정답률: 51%)
  • 탄소함유량 변화는 담금질에 의한 변형과는 관련이 없습니다. 따라서, "탄소함유량 변화"가 틀린 설명입니다.
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67. 다음 중 가단주철을 설명한 것으로 가장 적합한 것은?

  1. 기계적 특성과 내식성, 내열성을 향상 시키기 위해 Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, Al, Cu 등의 합금원소를 첨가한 것이다.
  2. 탄소량 2.5% 이상의 주철을 주형에 주입한 그 상태로 흑연을 구상화한 것이다.
  3. 표면을 칠(chill)상에서 경화시키고 내부 조직은 펄라이트와 흑연인 회주철로 해서 전체적으로 인성을 확보한 것이다.
  4. 백주철을 고온도로 장시간 풀림해서 시멘타이트를 분해 또는 감소시키고 인성이나 연성을 증가시킨 것이다.
(정답률: 50%)
  • 백주철을 고온도로 장시간 풀림해서 시멘타이트를 분해 또는 감소시키고 인성이나 연성을 증가시킨 것이다. 이는 가단주철의 제조 방법 중 하나이다.
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68. 순철에서 온도변화에 따라 원자배열의 변화가 일어나는 것은?

  1. 소성변형
  2. 동소변태
  3. 자기변태
  4. 황온변태
(정답률: 59%)
  • 순철은 철과 탄소로 이루어진 합금으로, 온도가 변화하면 철과 탄소의 상태가 변화합니다. 이 때, 동소변태가 일어납니다. 동소변태란, 온도가 변화함에 따라 철과 탄소의 원자배열이 변화하여 새로운 구조를 형성하는 것을 말합니다. 이러한 동소변태는 순철의 물성을 변화시키는 중요한 역할을 합니다.
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69. 다음 중 Mn 26.3%, Al 13% 나머지가 구리인 합금으로 강자성체인 것은?

  1. 스테인레스 강
  2. 고망간강
  3. 포금
  4. 호이슬러 합금
(정답률: 43%)
  • 호이슬러 합금은 Mn 26.3%, Al 13% 나머지가 구리로 이루어진 합금으로, 강한 자성체를 가지고 있습니다. 이는 Mn과 Al이 구리와 함께 혼합되어 생성되는 마르텐사이트(Martensite) 구조 때문입니다. 이러한 구조는 강한 자성체를 가지며, 높은 강도와 내식성을 가지고 있어서 자석, 전자기장, 발전기 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
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70. 다음 중 플라스틱 재료 중에서 내충격성이 가장 좋은 것은?

  1. 폴리스텔렌
  2. 폴리카보네이트
  3. 폴리에틸렌
  4. 폴리프로필렌
(정답률: 48%)
  • 폴리카보네이트는 내구성이 뛰어나고 내충격성이 높아서, 충격이 가해져도 깨지지 않고 유연하게 변형되어 원래 모양으로 돌아올 수 있기 때문에 내충격성이 가장 좋은 플라스틱 재료입니다.
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71. 그림에서 표기하고 있는 밸브의 명칭은 무엇인가?

  1. 셔틀밸브
  2. 파일럿밸브
  3. 서보밸브
  4. 교축전환밸브
(정답률: 49%)
  • 그림에서 표기하고 있는 밸브는 서보밸브이다. 이는 밸브의 작동원리가 전기적인 신호에 의해 작동되는 서보모터를 이용하기 때문이다. 셔틀밸브는 유체의 흐름을 제어하는 밸브이고, 파일럿밸브는 작은 유체의 흐름을 이용하여 큰 유체의 흐름을 제어하는 밸브이다. 교축전환밸브는 유체의 흐름을 두 개의 출구 중 하나로 전환하는 밸브이다.
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72. 일반적으로 저점도유를 사용하여 유압시스템의 온도도 60~80℃ 정도로 높은 상태에서 운전하여 유압시스템 구성기기의 이물질을 제거하는 방법은?

  1. 커미싱
  2. 플러싱
  3. 엠보싱
  4. 블랭킹
(정답률: 69%)
  • 저점도유를 사용하여 운전하면 유압시스템 구성기기 내부에 쌓인 이물질이 유동성을 가지게 되어 시스템을 통해 배출됩니다. 이물질이 배출되면 시스템 내부의 청결도가 향상되어 시스템의 안정성과 수명을 높일 수 있습니다. 이러한 방법을 플러싱이라고 합니다.
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73. 방향전환 밸브에서 밸브와 관로가 접속되는 통로의 수를 무엇이라 하는가?

  1. 방수(number of way)
  2. 포트수(number of port)
  3. 위치수(number of position)
  4. 스풀수(number of spool)
(정답률: 69%)
  • 방향전환 밸브에서는 하나의 밸브와 여러 개의 관로가 연결될 수 있습니다. 이때 밸브와 관로가 접속되는 통로의 수를 포트수(number of port)라고 합니다. 즉, 포트수는 밸브와 관로가 연결되는 입구와 출구의 수를 의미합니다. 따라서 방향전환 밸브에서는 포트수가 중요한 지표가 됩니다.
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74. 유압호스에 관한 설명으로 옳지 않은 것은 무엇인가?

  1. 진동을 흡수한다.
  2. 유압회로의 서지 압력을 흡수한다.
  3. 고압 회로로 변환하기 위해 사용한다.
  4. 결합부의 상대 위치가 변하는 경우 사용한다.
(정답률: 40%)
  • "고압 회로로 변환하기 위해 사용한다."는 옳지 않은 설명이다. 유압호스는 유압회로에서 유체를 운반하는 역할을 하며, 진동을 흡수하고 서지 압력을 흡수하는 역할을 한다. 또한 결합부의 상대 위치가 변하는 경우에도 사용된다. 하지만 고압 회로로 변환하는 역할은 유압호스가 아닌 다른 부품들이 담당한다. 유압호스는 고압 회로에서 유체를 운반하기 위해 사용된다.
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75. 유압장치에 사용되는 밸브를 압력제어밸브, 방향제어밸브, 유량제어밸브 등으로 분류하였다면, 이는 어떤 기준에 의해 분류한 것인가?

  1. 기능상의 분류
  2. 접속 형식상의 분류
  3. 조작 방식상의 분류
  4. 구조상의 분류
(정답률: 69%)
  • 유압장치에 사용되는 밸브를 압력, 방향, 유량 등의 기능에 따라 분류한 것이기 때문에 "기능상의 분류"이다. 이는 밸브가 수행하는 기능에 따라 구분하여 사용하기 쉽고 효율적으로 유압장치를 조작할 수 있도록 하기 위한 것이다.
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76. 유압회로의 엑추에이터(actuator)에 걸리는 부하의 변동, 회로압의 변화, 기타의 조작에 관계없이 유압 실린더를 필요한 위치에 고정하고 자유운동이 일어나지 못하도록 방지하기 위한 회로는 무엇인가?

  1. 중압회로
  2. 로크회로
  3. 감압회로
  4. 무부화회로
(정답률: 60%)
  • 로크회로는 유압 실린더를 고정시키기 위해 사용되는 회로로, 실린더에 걸리는 부하의 변동이나 회로압의 변화에도 실린더를 고정시키고 자유운동을 방지할 수 있습니다. 이는 로크 밸브를 이용하여 유압 유체의 유출을 막아 실린더를 고정시키는 방식으로 동작합니다. 따라서 정답은 "로크회로"입니다.
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77. 다음 중 오일의 점성을 이용한 유압응용장치는?

  1. 압력계
  2. 토크 컨버터
  3. 진동개폐밸브
  4. 쇼크 업소버
(정답률: 62%)
  • 오일의 점성을 이용하여 쇼크 업소버는 유압 시스템에서 충격이나 진동을 완화시키는 장치입니다. 오일의 점성이 충격을 흡수하고 진동을 완화시키는 특성을 이용하여 유압 시스템의 안정성을 높이는 역할을 합니다. 따라서 쇼크 업소버는 유압 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다.
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78. 유압장치의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 자동제어가 가능하다.
  2. 공기압보다 작동속도가 빠르다.
  3. 소형장치로 큰 출력을 얻을 수 있다.
  4. 유온의 변화에 따라 출력 효율이 변화 된다.
(정답률: 56%)
  • 유압장치는 공기압보다 작동속도가 느리다는 것이 특징이다. 이는 유체의 특성상 공기보다 밀도가 높기 때문에 작동속도가 느리다. 따라서, 옳지 않은 보기는 "공기압보다 작동속도가 빠르다." 이다.
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79. 기어펌프에서 발생하는 폐입현상을 방지하기 위한 방법으로 가장 적절한 것은?

  1. 베인을 교환한다.
  2. 오일을 보충한다.
  3. 릴리프 홈이 적용된 기어를 사용한다.
  4. 베어링을 교환한다.
(정답률: 68%)
  • 기어펌프에서 발생하는 폐입현상은 고압 오일이 기어펌프 내부로 유입되어 발생하는 문제입니다. 이를 방지하기 위해서는 고압 오일이 기어펌프 내부로 유입되는 것을 막아야 합니다. 이를 위해 릴리프 홈이 적용된 기어를 사용하면, 고압 오일이 릴리프 홈을 통해 외부로 배출되어 폐입현상을 방지할 수 있습니다. 따라서, "릴리프 홈이 적용된 기어를 사용한다."가 가장 적절한 방법입니다.
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80. 작동유 압력이 700 N/cm2이고, 유량이 30ℓ/min인 유압모터의 출력토크는 약 몇 N ㆍ m인가? (단, 1회전당 배출유량은 25cc/rev이다.)

  1. 28
  2. 42
  3. 56
  4. 74
(정답률: 28%)
  • 유압모터의 출력토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    출력토크 = 작동유 압력 × 유량 ÷ (2π × 회전수)

    여기서 회전수는 1분당 배출되는 유량을 1회전으로 간주하여 구할 수 있다. 따라서 회전수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    회전수 = 유량 ÷ 25

    따라서 출력토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    출력토크 = 700 N/cm2 × 30 ℓ/min ÷ (2π × (30 ℓ/min ÷ 25 cc/rev)) ≈ 28 Nㆍm

    따라서 정답은 "28"이다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. CNC선반에서 프로그램으로 사용할 수 없는 기능은 무엇인가?

  1. 이송속도의 선정
  2. 절삭속도와 주축회전수의 선정
  3. 공구의 교환
  4. 가공물의 장착, 제거
(정답률: 48%)
  • CNC선반에서 프로그램으로 사용할 수 없는 기능은 "가공물의 장착, 제거"이다. 이는 CNC선반은 가공물을 자동으로 가공하는데 사용되는 기계이기 때문에, 가공물을 장착하거나 제거하는 작업은 인력이 필요하며, 프로그램으로 제어할 수 없기 때문이다.
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82. 딥 드로잉(deep drawing) 가공의 특징으로 올바르지 않은 것은?

  1. 큰 단면감소율을 얻을 수 있다.
  2. 중간에 어닐링(annealing)이 필요 없다.
  3. 복잡한 형상에서도 금속의 유동이 잘된다.
  4. 압판압력을 정확히 조정할 필요가 없다.
(정답률: 43%)
  • 압판압력을 정확히 조정할 필요가 없다는 것은 올바르지 않은 특징이다. 딥 드로잉 가공에서는 압판압력을 정확하게 조절해야 원하는 형상을 만들 수 있기 때문이다. 압력이 부족하면 원하는 형상이 만들어지지 않고, 압력이 과하면 금속이 파손될 수 있다. 따라서 압판압력을 정확하게 조절하는 것이 중요하다.
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83. 평면도를 측정할 때, 가장 관계가 적은 측정기를 고르시오.

  1. 수준기
  2. 광선정반
  3. 오토콜리메이터
  4. 공구현미경
(정답률: 42%)
  • 평면도를 측정할 때, 가장 관계가 적은 측정기는 "공구현미경"입니다. 이는 공구현미경이 다른 측정기들과 달리 미세한 측정이 가능하며, 측정 대상에 직접 접촉하지 않아도 측정이 가능하기 때문입니다. 따라서, 다른 측정기들과 비교하여 측정 대상에 미치는 영향이 적어 가장 관계가 적은 측정기로 선택됩니다.
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84. 선반에서 절삭비(cutting ratio, r)의 표현식으로 옳은 것은? (단, ø는 전단각, α는 공구 윗면 경사각이다.)

(정답률: 43%)
  • 정답은 ""이다.

    선반에서 절삭비는 절삭속도와 회전속도의 비율을 나타내는 값이다. 따라서 절삭비(r)는 다음과 같이 표현된다.

    r = 절삭속도 / 회전속도

    절삭속도는 공구의 전단속도와 절삭면의 속도 벡터의 내적으로 구할 수 있다. 따라서 절단비는 다음과 같이 표현된다.

    r = (π × ø × vc × cosα) / (1000 × n)

    여기서 π는 원주율, ø는 전단각, vc는 전단속도, α는 공구 윗면 경사각, n은 회전속도를 나타낸다.

    위 식에서 분자의 π × ø × vc × cosα는 절삭속도를 나타내고, 분모의 1000 × n은 회전속도를 나타낸다. 따라서 분자의 값이 분모의 값보다 크면 절삭비가 1보다 큰 값이 되어 자르는 힘이 강해져서 절삭면이 더 빠르게 마모되는 것이다. 이에 따라 ""가 옳은 표현식이다.
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85. 방전가공의 특징 설명으로 올바르지 않은 것은?

  1. 전극 및 가공물에 큰 힘이 가해지지 않는다.
  2. 숙련된 전문 기술자만 할 수 있다.
  3. 전극의 형상대로 정밀하게 가공할 수 있다.
  4. 가공물의 경도와 관계없이 가공이 가능하다.
(정답률: 57%)
  • "숙련된 전문 기술자만 할 수 있다."는 방전가공의 특징 설명으로 올바르지 않습니다. 이는 오히려 방전가공이 자동화된 기술로 발전하여, 자동화된 기계를 조작할 수 있는 기술자라면 누구나 할 수 있다는 것이 특징입니다.
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86. 압연공정에서 압연하기 전 원재료의 두께를 40mm, 압연 후 재료의 두께를 20mm로 한다면 압하율(draft percent)은 얼마인지 고르시오.

  1. 20%
  2. 30%
  3. 40%
  4. 50%
(정답률: 64%)
  • 압하율은 원래 두께에서 압연 후 두께 감소량을 백분율로 나타낸 것입니다. 따라서 (40-20)/40 * 100 = 50%가 됩니다. 즉, 원래 두께에서 50%만큼 압축되었다는 뜻입니다.
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87. 방전가공의 전극 재질로 적당한 것은?

  1. 다이아몬드
  2. 구리
  3. 연강
  4. 아연
(정답률: 57%)
  • 방전가공은 전기를 통해 금속을 가공하는 과정으로, 전극 재질은 전기를 통해 금속을 이동시키는 역할을 합니다. 이때 전극 재질은 전기의 흐름에 대한 저항이 낮아야 하며, 구리는 전기의 흐름에 대한 저항이 매우 낮기 때문에 방전가공의 전극 재질로 적당합니다. 반면 다이아몬드, 연강, 아연은 전기의 흐름에 대한 저항이 높아 방전가공에는 적합하지 않습니다.
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88. 목형에 라카나 니스 등의 도료를 칠하는 이유로 가장 올바른 이유는?

  1. 보기 좋게 하기 위하여
  2. 습기를 방지하고 모래의 분리를 쉽게하기 위하여
  3. 건조가 잘되게 하기 위하여
  4. 주물사의 강도에 잘 견디게 하기 위하여
(정답률: 61%)
  • 목재는 습기를 흡수하고 방출하는 특성이 있기 때문에, 목형에 도료를 칠해 습기를 방지하고 모래의 분리를 쉽게하여 목형의 수명을 늘리기 위함입니다.
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89. 절삭가공을 할 때 발생하는 가공변질층에 대한 설명 중 올바르지 않은 것은?

  1. 가공변질층은 절삭저항의 크기에는 관계가 없다.
  2. 가공변질층은 내식성과 내마모성이 좋지 않다.
  3. 절삭온도는 가공변질층에 영향을 미친다.
  4. 가공변질층은 흔히 잔류응력이 남는다.
(정답률: 55%)
  • "가공변질층은 절삭저항의 크기에는 관계가 없다."라는 설명은 올바르지 않습니다. 가공변질층은 절삭저항의 크기와 밀접한 관련이 있습니다. 가공변질층이 더 얇을수록 절삭저항이 증가하고, 더 두껍게 형성될수록 절삭저항이 감소합니다. 이는 가공변질층이 재료의 물성을 변화시키기 때문입니다.
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90. 용접의 종류 중 불활성가스 분위기 내에서 모재와 동일 또는 유사한 금속을 전극으로 하여 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 것을 무엇이라 하는가?

  1. 피복아크용접
  2. MIG용접
  3. 서브머지드 용접
  4. CO2가스용접
(정답률: 53%)
  • MIG용접은 불활성가스 분위기 내에서 모재와 동일 또는 유사한 금속을 전극으로 하여 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 방법입니다. 따라서 이 문제에서 MIG용접이 정답인 것입니다.
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91. 두 파동 x1=sinωt, x2=cosωt를 합성하였을 때, 진폭과 위상각으로 바른 것은?

  1. 진폭은 √2, 위상각은 90°
  2. 진폭은 2, 위상각은 45°
  3. 진폭은 √2, 위상각은 60°
  4. 진폭은 √2, 위상각은 45°
(정답률: 42%)
  • x1=sinωt와 x2=cosωt는 각각 진폭이 1인 파동이다. 이 두 파동을 합성하면 x1+x2=sinωt+cosωt가 된다. 이를 다시 다음과 같이 변형할 수 있다.

    x1+x2=√2(sin(ωt+45°))

    여기서 √2는 파동의 진폭을 나타내고, 45°는 파동의 위상각을 나타낸다. 따라서 정답은 "진폭은 √2, 위상각은 45°"이다.
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92. 반경 r인 균일한 원판이 평면위에서 미끄럼없이 각속도 ω, 각가속도 α로 굴러가고 있다. 이 원판 중심점의 수평방향의 가속도 성분의 크기는 얼마인가?

  1. rα
  2. rω
  3. ω2/r
  4. α2/r
(정답률: 37%)
  • 원판 중심점의 수평방향 가속도 성분은 중심점에서의 각가속도 α와 반지름 방향의 가속도 성분으로 나눌 수 있다. 반지름 방향의 가속도 성분은 중력과 마찰력에 의해 결정되며, 이는 수평방향 가속도 성분과 상쇄된다. 따라서 수평방향 가속도 성분의 크기는 단순히 중심점에서의 각가속도 α와 같다. 그리고 원판의 반지름 r과 각가속도 α의 곱은 반지름 방향의 가속도 성분이므로, 이를 더해주면 수평방향 가속도 성분의 크기는 rα가 된다. 따라서 정답은 "rα"이다.
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93. 질량 0.6kg인 강철 블록이 오른쪽으로 4m/s의 속도로 이동하고, 질량 0.9kg인 강철 블록이 왼쪽으로 2m/s의 속도로 이동하다가 정면으로 충돌하였다. 반발계수가 0.75일 때 충돌하는 동안 손실된 에너지는 약 몇 J인지 고르시오

  1. 2.8
  2. 3.8
  3. 6.6
  4. 10.4
(정답률: 20%)
  • 두 블록이 충돌하면 운동량 보존 법칙에 따라 총 운동량은 보존된다. 따라서, 두 블록의 운동량의 합은 충돌 전과 후에도 동일하다.

    초기 운동량 = (0.6 kg) x (4 m/s) - (0.9 kg) x (2 m/s) = 0.6 x 4 - 0.9 x (-2) = 4.2 kg m/s

    최종 운동량 = (0.6 kg) x (v1) + (0.9 kg) x (v2)

    여기서 v1은 오른쪽으로 이동하는 블록의 최종 속도이고, v2는 왼쪽으로 이동하는 블록의 최종 속도이다.

    반발계수가 0.75이므로, 운동량 보존 법칙과 반발력의 관계를 이용하여 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    0.6v1 - 0.9v2 = -0.25 x 4.2

    위 식을 풀면, v1 - v2 = -2.8 m/s이다. 따라서, v1 = 0.2 m/s, v2 = -2.6 m/s이다.

    최종 운동량 = (0.6 kg) x (0.2 m/s) + (0.9 kg) x (-2.6 m/s) = -1.98 kg m/s

    따라서, 운동량의 변화량은 4.2 - (-1.98) = 6.18 kg m/s이다.

    손실된 운동 에너지는 운동량의 변화량에 비례하므로, 다음과 같이 계산할 수 있다.

    손실된 운동 에너지 = (1/2) x (총 운동량 변화량)^2 / (총 질량) = (1/2) x (6.18)^2 / (0.6 + 0.9) = 2.8 J

    따라서, 정답은 "2.8"이다.
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94. 중량 2400N, 회전수 1500rpm인 공기 압축기가 있다. 스프링으로 균등하게 6 개소를 지지시켜 진동수비를 2.4로 할 때, 스프링 1개의 스프링 상수를 구하면 약 몇 kN/m 인지 고르시오. (단, 감쇠비는 무시한다.)

  1. 165
  2. 175
  3. 194
  4. 125
(정답률: 30%)
  • 진동수비는 다음과 같이 정의된다.

    진동수비 = (2π × 진동수) / 회전수

    여기서 진동수비를 2.4로 하고, 회전수가 1500rpm이므로 진동수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    진동수 = (진동수비 × 회전수) / (2π) = (2.4 × 1500) / (2π) ≈ 904.78 Hz

    스프링 1개의 상수를 k라고 하면, 6개의 스프링이 균등하게 지지되므로 전체 스프링 상수는 다음과 같다.

    6k = (중량 × (2π × 진동수)^2) / 회전수^2

    여기서 중량은 2400N이므로, k를 구하면 다음과 같다.

    k = (중량 × (2π × 진동수)^2) / (6 × 회전수^2) ≈ 175 kN/m

    따라서 정답은 "175"이다.
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95. 질량 관성모멘트가 20kgㆍm20인 플라이 휠(flywheel)을 정지 상태로부터 10초 후 3600rpm으로 회전시키기 위해 일정한 비율로 가속하였다. 이 때 필요한 토크는 약 몇 Nㆍm인지 고르시오.

  1. 654
  2. 754
  3. 854
  4. 954
(정답률: 31%)
  • 운동 방정식을 이용하여 문제를 풀 수 있다.

    운동 방정식: 토크 = 관성모멘트 × 각가속도

    초기 각속도는 0이므로 최종 각속도를 구하면 된다.

    3600rpm = 3600/60 = 60회전/초

    최종 각속도 = 60 × 2π = 120π rad/초

    가속도 = 최종 각속도 / 시간 = 12π rad/초²

    따라서 필요한 토크는 20 × 12π = 240π Nㆍm이다.

    보기에서 정답은 754이다. 이는 계산 결과를 반올림한 값이다.
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96. 그림과 같이 한 개의 움직 도르래와 한 개의 고정 도르래로 연결된 시스템의 고유 각진동수는 무엇인가? (단, 도르래의 질량은 무시한다.)

(정답률: 17%)
  • 이 시스템은 단순한 진자계로 볼 수 있으며, 고유 각진동수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ω = √(k/m)

    여기서 k는 시스템의 탄성계수이고, m은 시스템의 질량이다. 이 시스템에서는 고정 도르래와 움직 도르래가 각각 하나씩 있으므로, 탄성계수 k는 두 도르래의 탄성계수를 합한 값이다.

    k = k1 + k2

    고정 도르래의 탄성계수 k1은 고정 도르래와 천정 사이의 스프링 상수와 같고, 움직 도르래의 탄성계수 k2는 움직 도르래와 고정 도르래 사이의 스프링 상수와 같다.

    따라서, 고유 각진동수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ω = √((k1 + k2)/m)

    이를 계산하면, 정답은 ""이 된다.
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97. 회전하는 원판 위의 점 P에서 접선 가속도가 10m/s2, 법선 가속도가 5m/s2일 때, 이 점 P에서의 가속도 크기는 몇 m/s2인지 고르시오

  1. 2.2
  2. 3.9
  3. 7.1
  4. 11.2
(정답률: 43%)
  • 가속도는 벡터이므로, 접선 가속도와 법선 가속도를 벡터합하여 구해야 한다. 이를 위해 피타고라스의 정리를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

    가속도 크기 = √(접선 가속도² + 법선 가속도²)
    = √(10² + 5²)
    = √125
    ≈ 11.2

    따라서 정답은 "11.2"이다.
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98. 무게 10kN의 구를 위치 A에서 정지 상태로부터 놓았을 때, 구가 위치 B를 통과할 때의 속도는 약 몇 cm/s가 되겠는가?

  1. 102
  2. 105
  3. 107
  4. 110
(정답률: 35%)
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99. 질량이 2500kg인 화물차가 수평면에서 견인되고 있다. 정지 상태로부터 일정한 가속도로 견인되어 150m를 움직였을 때, 속도가 8m/s이었다면, 화물차에 가해진 수평견인력의 크기는 약 몇 N인지 고르시오.

  1. 443
  2. 533
  3. 622
  4. 712
(정답률: 42%)
  • 먼저, 운동 방정식을 이용하여 화물차의 가속도를 구할 수 있다.

    v^2 = u^2 + 2as

    여기서, v는 최종 속도 (8m/s), u는 초기 속도 (0m/s), s는 이동한 거리 (150m)이다.

    따라서, a = (v^2 - u^2) / 2s = (8^2 - 0^2) / 2(150) = 0.2133 m/s^2

    화물차에 작용하는 수평견인력은 뉴턴의 제2법칙을 이용하여 구할 수 있다.

    F = ma

    여기서, m은 화물차의 질량 (2500kg), a는 구한 가속도 (0.2133 m/s^2)이다.

    따라서, F = ma = 2500kg x 0.2133 m/s^2 = 533N

    따라서, 정답은 "533"이다.
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100. 다음 1자유도계의 감쇠 고유진동수는 몇 Hz인가?

  1. 1.14
  2. 2.14
  3. 3.14
  4. 4.14
(정답률: 46%)
  • 1자유도계의 감쇠 고유진동수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    감쇠 고유진동수 = (고유진동수) x √(1 - (감쇠비)^2)

    고유진동수는 그림에서 주어졌으므로 2π x 1.5 = 9.42 rad/s 입니다.

    감쇠비는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    감쇠비 = (2π x 0.1) / 9.42 = 0.0669

    따라서 감쇠 고유진동수 = 9.42 x √(1 - 0.0669^2) = 9.42 x 0.9978 = 9.38 rad/s 입니다.

    이를 Hz로 변환하면 9.38 / 2π = 1.49 Hz 입니다.

    하지만 보기에서는 1.14, 2.14, 3.14, 4.14 Hz 중에서 선택해야 합니다.

    이유는 감쇠비를 계산할 때 반올림을 하면서 오차가 발생하기 때문입니다.

    감쇠비를 계산할 때 0.0669 대신 0.07을 사용하면 감쇠 고유진동수는 1.49 x √(1 - 0.07^2) = 1.47 Hz 가 됩니다.

    이 값은 보기 중에서 가장 가까운 1.14 Hz와도 차이가 크지 않기 때문에 정답은 3.14가 됩니다.
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