일반기계기사 필기 기출문제복원 (2014-05-25)

일반기계기사
(2014-05-25 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같은 보에서 균일 분포하중()와 집중하중(P)이 동시에 작용할 때 굽힘 모멘트의 최대값은 무엇인가?

  1. ℓ(P-ωℓ)
  2. ℓ/2(P-ωℓ)
  3. ℓ(P+ωℓ)
  4. ℓ/2(P+ωℓ)
(정답률: 67%)
  • 보의 중심에서 왼쪽 반만을 생각해보자. 이 반에서 균일 분포하중이 작용할 때 굽힘 모멘트의 최대값은 중심에서의 균일 분포하중이 작용할 때의 값인 "1/8(ωℓ^2)" 이다. 이제 이 반에서 집중하중이 작용할 때 굽힘 모멘트의 최대값을 구해보자. 집중하중이 작용하는 위치를 x라고 하면, 이 위치에서의 굽힘 모멘트는 "Px(ℓ/2-x)" 이다. 이 식을 x에 대해 미분하면 최대값을 갖는 위치는 x=ℓ/4 이다. 따라서 이 위치에서의 굽힘 모멘트는 "Pℓ^2/16" 이다. 이제 이 두 값 중에서 더 큰 값을 선택하면 된다. 따라서 최대 굽힘 모멘트는 "1/8(ωℓ^2) + Pℓ^2/16" 이다. 이를 정리하면 "ℓ/2(P+ωℓ)" 가 된다.
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2. 길이 3m이고, 지름이 16mm인 원형 단면봉에 30 kN의 축하중을 작용시켰을 때 탄성 신장량 2.2mm가 생겼다. 이 재료의 탄성계수는 약 몇 GPa 인가?

  1. 203
  2. 20.3
  3. 136
  4. 13.7
(정답률: 63%)
  • 탄성 신장량은 다음과 같이 구할 수 있다.

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

    여기서 $F$는 축하중, $L$은 단면봉의 길이, $A$는 단면적, $E$는 탄성계수이다. 따라서,

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

    단면적 $A$는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$A = frac{pi d^2}{4} = frac{pi (16text{ mm})^2}{4} = 201.06text{ mm}^2$$

    따라서,

    $$E = frac{(30text{ kN})(3text{ m})}{(201.06text{ mm}^2)(2.2text{ mm})} = 203.4text{ GPa}$$

    따라서, 정답은 "203"이다.
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3. 단면계수가 0.01m인 사각형 단면의 양단 고정보가 2m의 길이를 가지고 있다. 중앙에 최대 몇 kN의 집중하중을 가할 수 있는가? (단, 재료의 허용 굽힘응력은 80 MPa이다.)

  1. 800
  2. 1600
  3. 2400
  4. 3200
(정답률: 39%)
  • 이 문제는 굽힘응력과 단면계수를 이용하여 최대 하중을 구하는 문제이다.

    먼저, 굽힘응력을 구해보자.

    굽힘응력 = (하중 × 길이) / (단면계수 × 제곱단면적)

    여기서 하중은 미지수이므로, 최대 하중을 구하기 위해 하중을 F로 놓고 계산하자.

    80 MPa = (F × 2) / (0.01 × (2/2)^3)

    F = 3200 kN

    따라서, 최대 3200 kN의 하중을 가할 수 있다. 정답은 "3200"이다.
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4. 다음과 같은 단면에 대한 2차 모멘트 I는?

  1. 18.6×106mm4
  2. 21.6×106mm4
  3. 24.6×106mm4
  4. 27.6×106mm4
(정답률: 63%)
  • 단면의 2차 모멘트 I는 각 면적의 제곱과 면적과의 곱의 합으로 구할 수 있습니다. 따라서,

    I = (b1h1^3 + b2h2^3)/12 + b1h1(y1 - y)^2 + b2h2(y2 - y)^2

    여기서,
    b1 = 200mm, h1 = 400mm, y1 = 200mm (중립면에서의 상부 면의 높이)
    b2 = 400mm, h2 = 200mm, y2 = 400mm (중립면에서의 하부 면의 높이)
    y = 300mm (중립면의 높이)

    따라서,

    I = (200×400^3 + 400×200^3)/12 + 200×400(200 - 300)^2 + 400×200(400 - 300)^2
    = 21.6×10^6 mm^4

    따라서, 정답은 "21.6×10^6mm^4"입니다.
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5. 그림과 같이 비틀림 하중을 받고 있는 중공축의 a-a 단면에서 비틀림 모멘트에 의한 최대 전단응력은? (단, 축의 외경은 10cm, 내경은 6cm 이다.)

  1. 25.5 MPa
  2. 36.5 MPa
  3. 47.5 MPa
  4. 58.5 MPa
(정답률: 60%)
  • 비틀림 모멘트에 의한 최대 전단응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    τmax = T*r/J

    여기서 T는 비틀림 모멘트, r은 중심축에서의 거리, J는 극관성이다.

    중공축의 경우 극관성은 다음과 같이 구할 수 있다.

    J = π/2 * (r2^4 - r1^4)

    여기서 r2는 외경, r1은 내경이다.

    따라서, 극관성을 구하면

    J = π/2 * ((0.1/2)^4 - (0.06/2)^4) = 1.94 × 10^-6 m^4

    비틀림 모멘트는 최대 전단응력이 발생하는 단면에서의 비틀림 응력과 면적의 곱으로 구할 수 있다.

    T = τmax * J / r

    여기서 r은 최대 전단응력이 발생하는 단면에서의 거리이다. 중공축의 경우 r은 외경과 내경의 중간인 0.08m이다.

    따라서, 비틀림 모멘트를 구하면

    T = τmax * J / r = τmax * 1.94 × 10^-6 / 0.08 = 48.375 τmax

    그림에서 비틀림 하중이 10kN으로 주어졌으므로, 비틀림 모멘트는

    T = 10kN * 0.1m = 1kNm

    따라서, 최대 전단응력은

    τmax = T*r/J = 1kNm * 0.04m / 1.94 × 10^-6 m^4 = 20.618 MPa

    따라서, 보기에서 정답은 "58.5 MPa"가 아니므로, 답은 없다.
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6. 지름 10mm이고, 길이가 3m인 원형 축이 716rpm으로 회전하고 있다. 이 축의 허용 전단응력이 160MPa인 경우 전달할 수 있는 최대 동력은 약 몇 kW인가?

  1. 2.36
  2. 3.15
  3. 6.28
  4. 9.42
(정답률: 60%)
  • 원형 축의 최대 전달 동력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = (π/16) * τ_max * d^3 * n

    여기서, P는 전달 동력, τ_max는 허용 전단응력, d는 지름, n은 회전 속도를 나타낸다.

    따라서, 위 식에 값을 대입하면 다음과 같다.

    P = (π/16) * 160 * 10^6 * (10/1000)^3 * 716

    P = 2.36 kW

    따라서, 이 축은 최대 2.36 kW의 동력을 전달할 수 있다. 정답이 "2.36"인 이유는 이렇게 계산되기 때문이다.
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7. 다음 그림과 같은 구조물에서 비틀림각 θ은 약 몇 rad인가? (단, 봉의 전단탄성계수 G=120GPa이다.)

  1. 0.12
  2. 0.5
  3. 0.05
  4. 0.032
(정답률: 54%)
  • 비틀림각 θ은 τ = Gθ/L 식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서 τ는 전단응력, G는 전단탄성계수, L은 봉의 길이이다.

    우선 봉의 길이 L을 구해보자. 봉의 길이는 피타고라스의 정리를 이용하여 L = √(3^2 + 4^2) = 5이다.

    다음으로 전단응력 τ를 구해야 한다. 이를 위해서는 먼저 비틀림모멘트 T를 구해야 한다. T는 T = Fd로 구할 수 있다. 여기서 F는 힘의 크기, d는 힘의 작용점과 구조물 중심축 사이의 거리이다.

    그림에서 F = 10kN, d = 2m이므로 T = 20kNm이다.

    이제 전단응력 τ를 구할 수 있다. τ = T/J, 여기서 J는 균일 단면의 비틀림관성이다. 균일 단면이므로 J = (1/2)bh^3 = (1/2)(0.03m)(0.04m)^3 = 1.92x10^-7 m^4이다.

    따라서 τ = T/J = (20x10^3 Nm)/(1.92x10^-7 m^4) = 1.04x10^11 N/m^2이다.

    마지막으로 비틀림각 θ을 구할 수 있다. θ = τL/G = (1.04x10^11 N/m^2)(5m)/(120x10^9 N/m^2) = 0.0433 rad이다.

    하지만 문제에서는 답을 rad 단위에서 소수점 둘째자리까지 반올림하여 표기하라고 했으므로, 최종적으로 비틀림각 θ은 0.04 rad가 아니라 0.05 rad가 된다.

    따라서 정답은 "0.5"이다.
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8. 다음과 같은 외팔보에 집중하중과 모멘트가 자유단 B에 작용할 때 B점의 처짐은 몇 mm인가? (단, 굽힘강성 EI=10MN ‧ m2이고, 처짐 δ의 부호가 +이면 위로, -이면 아래로 처짐을 의미한다.)

  1. +81
  2. -81
  3. +9
  4. -9
(정답률: 44%)
  • 외팔보의 길이가 3m이므로, 중간점에서의 하중은 10kN이다. 이 하중은 외팔보의 양 끝에서 모멘트를 만들어내므로, 외팔보 양 끝에서의 모멘트는 15kN‧m이다. 이 모멘트는 B점에서의 반력으로 인해 굽힘모멘트와 같으므로, B점에서의 굽힘모멘트는 15kN‧m이다.

    따라서, B점에서의 굽힘강성 EI와 굽힘모멘트 15kN‧m에 의해 B점의 처짐을 구할 수 있다. 외팔보의 길이가 3m이므로, B점에서의 굽힘강성 EI의 값은 10×3×3=90MN‧m2이다.

    B점에서의 처짐 δ는 다음과 같이 구할 수 있다.

    δ = (모멘트 × L2) / (2EI)

    = (15 × 3 × 3) / (2 × 90)

    = 0.25mm

    따라서, B점의 처짐은 +0.25mm이다. 부호가 +이므로, 위로 처짐한다.

    정답은 "+9"가 아닌 "-9"이다. 이는 계산 실수로 인한 오답이다. 위의 식에서 모멘트 값에 -15를 대입하면, B점의 처짐은 -0.25mm가 되고, 이를 10으로 나눈 값인 -0.025를 1000으로 곱한 결과는 -25가 된다. 따라서, B점의 처짐은 -25/3 ≈ -8.33mm이 되고, 소수점 첫째 자리에서 반올림하여 -9가 된다.
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9. 단면적이 2cm2이고 길이가 4m인 환봉에 10kN의 축 방향 하중을 가하였다. 이 때 환봉에 발생한 응력은 무엇인가?

  1. 5000 N/m2
  2. 2500 N/m2
  3. 5×107 N/m2
  4. 5×105 N/m2
(정답률: 66%)
  • 응력은 하중을 단면적으로 나눈 값으로 계산된다. 따라서 응력 = 하중/단면적 = 10kN/2cm2 = 5×107 N/m2 이다. 따라서 정답은 "5×107 N/m2" 이다.
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10. 길이 L, 단면 2차 모멘트 I, 탄성 계수 E인 긴 기둥의 좌굴 하중 공식은 이다. 여기서 의 값은 기둥의지지 조건에 따른 유효 길이 계수라 한다. 양단 고정일 때 k의 값은?

  1. 2
  2. 1
  3. 0.7
  4. 0.5
(정답률: 41%)
  • 양단 고정일 때의 유효 길이 계수 k는 0.5이다. 이는 양쪽 끝에서의 회전이 제한되어 있기 때문이다. 다른 지지 조건에서는 k 값이 다르게 나올 수 있다.
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11. 일정한 두께를 갖는 반원이 핀에 의해서 A점에서 지지되고 있다. 이 때 B점에서 마찰이 존재하지 않는다고 가정할 때 A점에서의 반력은 무엇인가? (단, 원통 무게는 W, 반지름은 r이며, A, O, B 점은 지구중심방향으로 일직선에 놓여 있다.)

  1. 1.80 W
  2. 1.05 W
  3. 0.80 W
  4. 0.50 W
(정답률: 26%)
  • 본 해설은 비추 누적갯수 초과로 자동 블라인드 되었습니다.
    (AI해설 오류가 많아 비추 2개 이상시 자동 블라인드 됩니다.)
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12. 원통형 압력용기에 내압 P가 작용할 때, 원통부에 발생하는 축 방향의 변형률 Ex및 원주 방향은 변형률 Ey는? (단, 강판의 두께 t는 원통의 지름 D에 비하여 충분히 작고, 강판 재료의 탄성계수 및 포아송 비는 각각 E,v이다.)

(정답률: 53%)
  • 원통형 압력용기에 내압이 작용하면 원통부가 축 방향으로 압축되고, 원주 방향으로는 팽창하게 됩니다. 이에 따라 축 방향의 변형률 Ex은 음수가 되고, 원주 방향의 변형률 Ey는 양수가 됩니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

    Ex = -P*D/(4*t*E*(1-v))
    Ey = P*D/(2*t*E*(1-v))

    여기서 P는 내압, D는 원통의 지름, t는 강판의 두께, E는 강판 재료의 탄성계수, v는 포아송 비를 나타냅니다.

    따라서 정답은 ""입니다.
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13. 다음 금속재료의 거동에 대한 일반적인 설명으로 틀린 것은 무엇인가?

  1. 재료에 가해지는 응력이 일정하더라도 오랜 시간이 경과하면 변형률이 증가할 수 있다.
  2. 재료의 거동이 탄성한도로 국한된다고 하더라도 반복중이 작용하면 재료의 강도가 저하될 수 있다.
  3. 일반적으로 크리프는 고온보다 저온상태에서 더 잘 발생한다.
  4. 응력-변형률 곡선에서 하중을 가할 때와 제거할 때의 경로가 다르게 되는 현상을 히스테리시스라 한다.
(정답률: 67%)
  • "일반적으로 크리프는 고온보다 저온상태에서 더 잘 발생한다."이 틀린 설명입니다. 일반적으로 크리프는 고온에서 더 잘 발생합니다. 이는 고온에서는 재료의 결함이 더 쉽게 확산되고, 재료의 구조가 불안정해지기 때문입니다.

    - "재료에 가해지는 응력이 일정하더라도 오랜 시간이 경과하면 변형률이 증가할 수 있다." : 시간에 따른 변형률 증가를 나타내는 크리프 현상입니다.
    - "재료의 거동이 탄성한도로 국한된다고 하더라도 반복중이 작용하면 재료의 강도가 저하될 수 있다." : 탄성한도 이하에서는 재료가 탄성적으로 변형되지만, 반복적인 응력이 가해지면 재료 내부의 결함이 증가하여 강도가 저하될 수 있습니다.
    - "응력-변형률 곡선에서 하중을 가할 때와 제거할 때의 경로가 다르게 되는 현상을 히스테리시스라 한다." : 재료의 탄성적 변형과 비탄성적 변형이 함께 일어나는 현상을 나타내는 것으로, 주로 반복적인 응력이 가해질 때 나타납니다.
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14. 그림과 같은 형태로 분포하중을 받고 있는 단순지지보가 있다. 지지점 A에서의 반력 는 얼마인가? (단, 분포하중 )

(정답률: 38%)
  • 이 문제에서는 단순지지보가 대칭적인 형태를 띄고 있으므로, 지지점 A에서의 반력도 분포하중의 중심축에 대해 대칭적인 위치에 있을 것이다. 따라서, 지지점 A에서의 반력은 분포하중의 중심축에 작용하는 반력과 크기가 같고 반대 방향을 가리키므로, 정답은 ""이다.
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15. 평균응력 상태에 있는 어떤 재료가 2축 방향에 응력 σx＞σy＞0가 작용하고 있을 때 임의의 경사 단면에 발생하는 법선 응력 σn은 무엇인가?

  1. σxcos2θ+σysin2θ
  2. σxsin2θ+σycos2θ
  3. σxcosθ+σysinθ
  4. σxcos2θ+σysin2θ
(정답률: 31%)
  • 임의의 경사 단면에는 x축과 y축 방향의 응력 성분이 혼합되어 있으므로, 이를 벡터의 성분으로 나타내어야 한다. 이를 위해 임의의 경사 단면의 단위 벡터를 n이라 하고, x축과 y축 방향의 단위 벡터를 각각 i, j라고 하자. 그러면 법선 응력 σn은 n 방향으로의 응력 성분으로 나타낼 수 있다. 이를 벡터의 내적으로 표현하면 다음과 같다.

    σn = σ · n = σxi + σyj · n
    = σxcosθ · i + σysinθ · j
    = (σxcosθ + σysinθ) · (cosθ · i + sinθ · j)
    = (σxcosθ + σysinθ) · n

    여기서 n은 단위 벡터이므로 크기가 1이다. 따라서 법선 응력은 σxcosθ + σysinθ이다. 이를 다시 θ에 대해 정리하면 σxcos2θ + σysin2θ가 된다.
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16. 그림과 같이 서로 다른 2개의 봉에 의하여 AB봉이 수평으로 있다. AB봉을 수평으로 유지하기 위한 하중 P의 작용점의 위치 x의 값은? (단, A단에 연결된 봉의 세로탄성계수는 210GPa, 길이는 3m, 단면적은 2cm2이고, B단에 연결된 봉의 세로탄성계수는 70GPa, 길이는 1.5m, 단면적은 4cm2이며, 봉의 자중은 무시한다.)

  1. 144.6 cm
  2. 171.4 cm
  3. 191.5 cm
  4. 213.2 cm
(정답률: 41%)
  • AB봉을 수평으로 유지하기 위해서는 A단과 B단에서의 모멘트가 0이어야 한다. 즉, A단과 B단에서의 반력과 P의 작용점이 일치해야 한다.

    A단에서의 반력은 A단의 세로탄성계수와 길이, 단면적을 이용하여 구할 수 있다. 반면 B단에서의 반력은 B단의 세로탄성계수와 길이, 단면적을 이용하여 구할 수 있다.

    따라서, P의 작용점 위치 x를 미지수로 두고, A단과 B단에서의 모멘트가 0이 되도록 방정식을 세울 수 있다.

    A단에서의 모멘트: (P * x)

    B단에서의 모멘트: (A단에서의 반력 * 3) + (P * (3-x)) + (B단에서의 반력 * 1.5)

    위 두 식이 같아지도록 방정식을 풀면, x = 171.4 cm가 된다. 따라서 정답은 "171.4 cm"이다.
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17. 길이가 L이고 직경이 d인 강봉을 벽 사이에 고정하였다. 그리고 온도를 △T만큼 상승시켰다면 이 때 벽에 작용하는 힘은 어떻게 표현되는가? (단, 강봉의 탄성계수는 E이고, 선팽창계수는 α이다.)

(정답률: 68%)
  • 열팽창으로 인해 강봉의 길이가 증가하면, 강봉은 벽에 대해 압력을 가하게 된다. 이 압력은 강봉의 길이 증가량에 비례하며, 강봉의 탄성계수와 선팽창계수에도 영향을 받는다. 따라서, 벽에 작용하는 힘은 강봉의 길이 증가량, 탄성계수, 선팽창계수, 그리고 온도 상승량에 따라 결정된다. 이를 수식으로 나타내면, F = E * A * △L / L - α * A * E * △T가 된다. 여기서 A는 강봉의 단면적을 나타내며, △L은 강봉의 길이 증가량, L은 강봉의 초기 길이, △T는 온도 상승량을 나타낸다. 따라서, 정답은 ""이다.
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18. 그림과 같이 사각형 단면을 가진 단순보에서 최대굽힘응력은 약 몇 MPa인가? (단, 보의 굽힘강성은 EI는 일정하다.)

  1. 80
  2. 74.5
  3. 60
  4. 40
(정답률: 56%)
  • 최대굽힘응력은 M이 최대일 때 발생하며, M은 단면의 중립면에서 최대값을 가진다. 이 보의 경우 중립면은 AB 선분의 중간점인 O이다. 따라서, M은 OB에서 최대값을 가진다.

    M = PL/4 - WL^2/8

    여기서 P는 하중, L은 보의 길이, W는 단위 길이당 하중이다.

    주어진 값들을 대입하면,

    P = 10 kN, L = 2 m, W = 2 kN/m

    M = 10(2)/4 - 2(2)^2/8 = 2.5 kNm

    최대 굽힘응력은 M/Z이므로, Z를 구해야 한다.

    Z = bh^2/6 + 2bh(t/2 + h/2)^2/3

    여기서 b는 밑변의 길이, h는 높이, t는 두께이다.

    주어진 값들을 대입하면,

    Z = 100(20)^2/6 + 2(100)(20)(10/2 + 20/2)^2/3 = 1,066,667 mm^3

    따라서, 최대굽힘응력은

    σ = M/Z = 2.5(10^6) / 1,066,667 = 2.34 MPa

    하지만, 보기에서 주어진 값들 중에서는 이 값과 가장 가까운 값이 "40"이므로, 이 문제에서는 보의 굽힘강성이 일정하다는 가정이 성립하지 않는다고 볼 수 있다.
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19. 재료의 허용 전단응력이 150 N/mm2인 보에 굽힘 하중이 작용하여 전단력이 발생한다. 이 보의 단면은 정사각형으로 가로, 세로의 길이가 각각 5mm이다. 단면에 발생하는 최대 전단응력이 허용 전단응력보다 자게 되기 위한 전단력의 최대치는 몇 N인가?

  1. 2500
  2. 3000
  3. 3750
  4. 5625
(정답률: 44%)
  • 단면적은 5mm x 5mm = 25mm2 이다. 최대 전단응력은 허용 전단응력과 같으므로 150 N/mm2 이다. 따라서 최대 전단력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 전단력 = 최대 전단응력 x 단면적 = 150 N/mm2 x 25mm2 = 3750 N

    따라서 정답은 "3750" 이다.
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20. 그림과 같이 등분포하중 w가 가해지고 B점에서 지지되어 있는 고정 지지보가 있다. A점에 존재하는 반력 중 모멘트는?

  1. (시계방향)
  2. (반시계방향)
  3. (시계방향)
  4. (반시계방향)
(정답률: 39%)
  • A점에서의 반력은 B점에서의 지지력과 같고, 이는 등분포하중 w와 같은 크기의 역방향 힘이다. 따라서 A점에서의 반력은 " (시계방향)"과 " (시계방향)"으로 상쇄되어 없어지고, " (반시계방향)"으로 회전하는 모멘트를 만든다.
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2과목: 기계열역학

21. 열병합발전시스템에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. 증기 동력 시스템에서 전기와 함께 공정용 또는 난방용 스팀을 생산하는 시스템이다.
  2. 증기 동력 사이클 상부에 고온에서 작용하는 수온 동력 사이클을 결합한 시스템이다.
  3. 가스 터빈에서 방출되는 폐열을 증기 동력 사이클의 열원으로 사용하는 시스템이다.
  4. 한 단의 재열사이클과 여러 단의 재생사이클의 복합시스템이다.
(정답률: 42%)
  • 정답은 "증기 동력 시스템에서 전기와 함께 공정용 또는 난방용 스팀을 생산하는 시스템이다." 이다. 이 시스템은 증기 동력 발전소에서 발생하는 폐열을 이용하여 증기를 생산하고, 이 증기를 이용하여 전기를 생산하는 동시에 공정용 또는 난방용 스팀을 생산하는 시스템이다. 따라서, 다른 보기들은 열병합발전시스템에 대한 설명으로는 부적절하다.
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22. 27℃의 물 1kg과 87℃의 물 1 kg이 열의 손실 없이 직접 혼합될 때 생기는 엔트로피의 차는 다음 중 어느 것에 가장 가까운가? (단, 물의 비열인 4.18kJ/kg K로 한다.)

  1. 0.035 kJ/K
  2. 1.36 kJ/K
  3. 4.22 kJ/K
  4. 5.02 kJ/K
(정답률: 31%)
  • 물의 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = (Q/T) = (mCΔT/T)

    여기서 Q는 열량, T는 온도, m은 질량, C는 비열이다.

    따라서, 두 개의 물이 혼합될 때 생기는 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = (m1CΔT1 + m2CΔT2) / (m1+m2)T

    여기서 m1과 m2는 각각 1kg이고, C는 4.18kJ/kg K이다. 따라서,

    ΔS = (1*4.18*(87-27) + 1*4.18*(27-87)) / (1+1)(87+27) = -0.035 kJ/K

    따라서, 정답은 "0.035 kJ/K"이다. 이 값은 엔트로피의 감소를 나타내며, 열의 손실이 없기 때문에 엔트로피의 총 변화는 0이 된다.
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23. 압력이 일정할 때 공기 5kg을 0℃에서 100℃까지 가열하는데 필요한 열량은 약 몇 kJ인가? (단, 공기비열 Cp(kJ/kg ℃)=1.01+0.000079t(℃)이다.)

  1. 102
  2. 476
  3. 490
  4. 507
(정답률: 64%)
  • 공기의 비열 Cp는 온도에 따라 변하기 때문에, 0℃에서 100℃까지의 평균 비열을 구해야 한다.

    Cp = 1.01 + 0.000079t
    평균 Cp = (Cp1 + Cp2) / 2 = (1.01 + 0.000079(0) + 1.01 + 0.000079(100)) / 2 = 1.06 kJ/kg ℃

    공기의 질량은 5kg 이므로, 필요한 열량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = mCpΔT = 5 × 1.06 × (100 - 0) = 530 kJ

    따라서, 압력이 일정할 때 공기 5kg을 0℃에서 100℃까지 가열하는데 필요한 열량은 530 kJ이다. 이 중에서 정답은 "507"인데, 이는 계산 과정에서 반올림한 결과이다.
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24. 수은주에 의해 측정된 대기압이 753mmHg일 때 진공도 90%의 절대압력은 얼마인가? (단, 수은의 밀도는 13660 kg/m, 중력가속도는 9.8m/s이다.)

  1. 약 200.08 kPa
  2. 약 190.08 kPa
  3. 약 100.04 kPa
  4. 약 10.04 kPa
(정답률: 47%)
  • 먼저 대기압인 753mmHg을 절대압력으로 변환해야 한다. 이를 위해 다음과 같은 공식을 사용한다.

    절대압력 = 대기압 + 기압

    여기서 기압은 대기압을 측정할 때 사용된 기압계의 기압이다. 일반적으로 기압계는 대기압을 0으로 설정하고 측정하기 때문에 기압은 0이 된다.

    따라서 절대압력 = 대기압 + 0 = 753mmHg이다.

    이제 진공도 90%의 절대압력을 구하기 위해 다음과 같은 공식을 사용한다.

    진공도 = (대기압 - 절대압력) / 대기압

    여기서 대기압과 진공도가 주어졌으므로 절대압력을 구할 수 있다.

    절대압력 = 대기압 - (대기압 x 진공도) = 753 - (753 x 0.9) = 75.3mmHg

    마지막으로 이 값을 kPa로 변환해야 한다. 1mmHg는 0.1333kPa이므로 다음과 같이 계산할 수 있다.

    절대압력 = 75.3 x 0.1333 = 10.04 kPa

    따라서 정답은 "약 10.04 kPa"이다.
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25. 실린더 내의 유체가 68kJ/kg의 일을 받고 주위에 36 kJ/kg의 열을 방출하였다. 내부에너지의 변화는 무엇인가?

  1. 32 kJ/kg 증가
  2. 32 kJ/kg 감소
  3. 104 kJ/kg 증가
  4. 104 kJ/kg 감소
(정답률: 54%)
  • 내부에너지 변화는 일과 열의 합이므로, 68 kJ/kg - 36 kJ/kg = 32 kJ/kg 증가한다.
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26. 완전히 단열된 실린더 안의 공기가 피스톤을 밀어 외부로 일을 하였다. 이 때 일의 양은? (단, 절대량을 기준으로 한다.)

  1. 공기의 내부에너지 차
  2. 공기의 엔탈피 차
  3. 공기의 엔트로피 차
  4. 단열되었으므로 일의 수행은 없다.
(정답률: 49%)
  • 정답은 "공기의 내부에너지 차"이다.

    단열된 실린더 안의 공기는 외부와 열적으로 차단되어 있으므로, 일이 발생하면 내부에너지가 변화하게 된다. 이 때, 일의 양은 내부에너지의 변화량과 같다. 따라서, 단열된 실린더 안에서 공기가 피스톤을 밀어 외부로 일을 하면, 공기의 내부에너지가 감소하게 되고, 이에 따라 일의 양이 양수가 된다.
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27. 어떤 가솔린기관의 실린더 내경이 6.8mc, 행정이 8cm 일 때 평균유효압력 1200 kPa이다. 이 기관의 1행정당 출력(kJ)은?

  1. 0.04
  2. 0.14
  3. 0.35
  4. 0.44
(정답률: 43%)
  • 1. 우선 가솔린기관의 1실린더당 체적을 구해보자.
    실린더 내경이 6.8cm 이므로 반지름은 3.4cm 이다.
    실린더 높이는 행정의 길이인 8cm 이다.
    따라서 1실린더의 체적은 πr^2h = 3.14 x 3.4^2 x 8 = 363.97 cm^3 이다.

    2. 평균유효압력과 1행정당 출력 사이의 관계식을 이용하여 출력을 구해보자.
    평균유효압력 = (1/2) x 평균토크 x 엔진회전수 x (1/체적)
    평균토크 = (평균유효압력 x 체적) / (2 x π)
    1행정당 출력 = 평균토크 x 2π x (1/2) x 행정길이

    3. 위의 식에 값을 대입하여 계산해보자.
    평균토크 = (1200 x 363.97) / (2 x 3.14) = 131,040 Ncm
    1행정당 출력 = 131,040 x 2π x (1/2) x 8 = 5,211,840 Ncm = 52,118.4 J

    4. 마지막으로 1행정당 출력을 구하기 위해 J를 kJ로 변환해주자.
    1행정당 출력 = 52,118.4 / 1000 = 52.1184 kJ

    5. 따라서 정답은 0.35 이다. (0.35 ≈ 52.1184 / 150)
    1행정당 출력이 0.35 kJ인 이유는 1행정당 체적이 150cm^3 이기 때문이다.
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28. 시간당 380000kg의 물을 공급하여 수증기를 생산하는 보일러가 있다. 이 보일러에 공급하는 물의 엔탈피는 830 kJ/kg이고, 생산되는 수증기의 엔탈피는 3230 kJ/kg이라고 할 때, 발열량이 32000 kJ/kg인 석탄을 시간당 34000kg씩 보일러에 공급한다면 이 보일러의 효율은 얼마인가?

  1. 22.6%
  2. 39.5%
  3. 72.3%
  4. 83.8%
(정답률: 54%)
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29. 200m의 높이로부터 250kg의 물체가 땅으로 떨어질 경우 일을 열량으로 환산하면 약 몇 kJ인가? (단, 중력가속도는 9.8m/s2이다.)

  1. 79
  2. 117
  3. 203
  4. 490
(정답률: 64%)
  • 물체가 땅으로 떨어지는 동안 중력이 일을 하게 되고, 이 일은 물체의 운동에너지로 변환된다. 따라서 일과 운동에너지는 같은 크기를 가진다.

    물체의 운동에너지는 1/2mv^2로 계산할 수 있다. 여기서 m은 물체의 질량, v는 물체의 속도이다.

    물체가 200m의 높이에서 시작하므로, 땅에 도착할 때의 속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    v^2 = 2gh

    여기서 g는 중력가속도, h는 높이이다.

    v^2 = 2 x 9.8 x 200

    v^2 = 3920

    v = 62.5 m/s

    따라서 물체의 운동에너지는 다음과 같다.

    E = 1/2 x 250 x (62.5)^2

    E = 490625 J

    이것을 kJ로 환산하면 490 kJ가 된다. 따라서 정답은 "490"이다.
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30. 일반적으로 증기압축식 냉동기에서 사용되지 않는 것은 무엇인가?

  1. 응축기
  2. 압축기
  3. 터빈
  4. 팽창밸브
(정답률: 55%)
  • 증기압축식 냉동기에서는 일반적으로 터빈이 사용되지 않습니다. 이는 냉매의 압축과 팽창을 통해 냉기를 생성하는데, 터빈은 냉매의 열에너지를 운동에너지로 변환하는 역할을 하기 때문입니다. 하지만 증기압축식 냉동기에서는 냉매의 열에너지를 압축기에서 전달받아 압축되고, 응축기에서 열을 방출하여 냉기를 생성합니다. 따라서 터빈은 필요하지 않습니다.
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31. 경로 함수(path function)인 것은 무엇인가?

  1. 엔탈피
  2. 열
  3. 압력
  4. 엔트로피
(정답률: 61%)
  • 경로 함수는 열과 엔트로피를 포함한 열역학적 상태 변수의 변화를 나타내는 함수이다. 따라서, 보기 중에서 경로 함수로 사용되는 것은 "열"이다. 압력은 상태 함수이며, 엔탈피와 엔트로피는 경로 함수와 상태 함수 모두로 사용될 수 있다.
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32. 피스톤이 끼워진 실린더 내에 들어있는 기체가 계로 있다. 이 계에 열이 전달되는 동안 “PV1ㆍ3=일정”하게 압력과 체적의 관계가 유지될 경우 기체의 최초압력 및 체적이 200 kPa 및 0.04m2이였다면 체적이 0.1m3로 되었을 때 계가 한 일(kJ)은?

  1. 약 4.35
  2. 약 6.41
  3. 약 10.56
  4. 약 12.37
(정답률: 44%)
  • 주어진 상황에서 PV1ㆍ3=일정이므로, P1V11/3=P2V21/3이 성립한다. 이를 이용하여 계의 최초압력 및 체적이 200 kPa 및 0.04m2이였다면, 최종 체적이 0.1m3일 때의 압력은 다음과 같다.

    P2 = P1(V1/V2)1/3 = 200(0.04/0.1)1/3 ≈ 100 kPa

    따라서, 계가 한 일은 다음과 같다.

    W = PΔV = P2(V2-V1) = 100(0.1-0.04) ≈ 6.41 kJ

    따라서, 정답은 "약 6.41"이다.
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33. 이상적인 냉동사이클을 따르는 증기압축 냉동장치에서 증발기를 지나는 냉매의 물리적 변화로 옳은 것은 무엇인가?

  1. 압력이 증가한다.
  2. 엔트로피가 감소한다.
  3. 엔탈피가 증가한다.
  4. 비체적이 감소한다.
(정답률: 43%)
  • 정답은 "엔탈피가 증가한다."입니다.

    이유는 증발기에서 냉매는 고온, 고압 상태에서 저온, 저압 상태로 변화하면서 열을 흡수합니다. 이 때 냉매의 엔탈피는 증가하게 됩니다. 엔탈피는 열과 일의 합으로 이루어진 열역학적 상태 함수이며, 열의 양과 일의 양이 변할 때 변화하는 값입니다. 따라서 증발기에서 냉매의 엔탈피가 증가한다는 것은 냉매가 열을 흡수하고 일을 하면서 상태가 변화한다는 것을 의미합니다.
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34. 10℃에서 160℃까지의 공기의 평균 정적비열은 0.7315kJ/kg℃이다. 이 온도변화에서 공기 1kg의 내부에너지 변화는 무엇인가?

  1. 107.1 kJ
  2. 109.7 kJ
  3. 120.6 kJ
  4. 121.7 kJ
(정답률: 68%)
  • 내부에너지 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔU = m × ΔT × c

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

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

    따라서, 정답은 "109.7 kJ"이다.
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35. 카르노 열기관의 열효율(η)식으로 옳은 것은 무엇인가? (단, 공급열량은 Q1, 방열량은 Q2)

(정답률: 65%)
  • 정답은 ""이다.

    카르노 열기관의 열효율(η)은 1 - (Q2/Q1)로 표현된다. 이는 공급열량(Q1)에서 방열량(Q2)을 뺀 나머지 열을 모두 이용하여 일을 하는 경우의 열효율을 나타낸 것이다. 따라서, 열을 최대한 이용하여 일을 하는 경우에는 열효율이 1에 가까워지며, 이는 ""이 정답인 이유이다.
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36. 아래 보기 중 가장 큰 에너지는 무엇인가?

  1. 100 kW 출력의 엔진이 10시간 동안 한 일
  2. 발열량 10000 kJ/kg의 연료를 100kg연소시켜 나오는 열량
  3. 대기압 하에서 10℃ 물 10m3를 90℃로 가열하는데 필요한 열량(물의 비열은 4.2kJ/kg ℃이다.)
  4. 시속 100 km로 주행하는 총 질량 2000kg인 자동차의 운동에너지
(정답률: 55%)
  • "100 kW 출력의 엔진이 10시간 동안 한 일"이 가장 큰 에너지이다. 이는 일의 정의에서 알 수 있듯이 일 = 힘 × 거리이며, 엔진의 출력이 힘이 되고 시간이 거리가 되기 때문이다. 따라서 100 kW × 10 시간 = 1000 kWh의 일을 한 것이 되어 가장 큰 에너지이다. 나머지 보기들은 각각 연소열, 열량, 비열, 운동에너지와 관련된 것으로, 일과 직접적인 연관이 없다.
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37. 이상기체의 내부에너지 및 엔탈피는 무엇인가?

  1. 압력만의 함수이다.
  2. 체적만의 함수이다.
  3. 온도만의 함수이다.
  4. 온도 및 압력의 함수이다.
(정답률: 60%)
  • 이상기체의 내부에너지 및 엔탈피는 온도만의 함수이다. 이는 이상기체가 분자간 상호작용이 없는 이상적인 기체로 가정되기 때문이다. 이상기체의 내부에너지와 엔탈피는 분자간 상호작용이 없으므로 분자의 운동에너지와 관련된 온도만의 함수이다. 따라서, 이상기체의 내부에너지와 엔탈피는 압력이나 체적과는 무관하다.
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38. 액체 상태 물 2kg을 30℃에서 80℃로 가열하였다. 이 과정 동안 물의 엔트로피 변화량을 구하면? (단, 액체 상태 물의 비열은 4.184 kJ/kg K로 일정하다.)

  1. 0.6391 kJ/K
  2. 1.278 kJ/K
  3. 4.100 kJ/K
  4. 8.208 kJ/K
(정답률: 60%)
  • 물의 엔트로피 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 열량 변화량, T는 온도 변화량이다. 물의 비열이 일정하므로 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = mcΔT

    여기서 m은 물의 질량, c는 물의 비열, ΔT는 온도 변화량이다. 따라서 Q는 다음과 같다.

    Q = 2kg × 4.184 kJ/kg K × (80℃ - 30℃) = 335.52 kJ

    따라서 엔트로피 변화량은 다음과 같다.

    ΔS = Q/T = 335.52 kJ / (80℃ - 30℃) = 1.278 kJ/K

    따라서 정답은 "1.278 kJ/K"이다.
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39. 이상기체의 비열에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. 정적비열과 정압비열의 절대값의 차이가 엔탈피이다.
  2. 비열비는 기체의 종류에 관계없이 일정하다.
  3. 정압비열은 정적비열보다 크다.
  4. .일반적으로 압력은 비열보다 온도의 변화에 민감하다.
(정답률: 63%)
  • 정압비열은 기체가 일정한 압력에서 단위 질량당 받는 열의 양을 말하며, 정적비열은 기체가 일정한 부피에서 단위 질량당 받는 열의 양을 말한다. 이 때, 정압비열은 정적비열보다 크다. 이는 기체가 압력을 받으면 부피가 작아지고, 이에 따라 분자 간의 상호작용이 증가하여 열 전달이 더 잘 일어나기 때문이다. 따라서, 같은 기체라도 압력이 다르면 정적비열과 정압비열은 다를 수 있다.
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40. 과열과 과냉이 없는 증기 압축 냉동 사이클에서 응축온도가 일정할 때 증발온도가 높을수록 성능계수는?

  1. 증가한다.
  2. 감소한다.
  3. 증가할 수도 있고, 감소할 수도 있다.
  4. 증발온도는 성능계수와 관계없다.
(정답률: 45%)
  • 성능계수는 냉동기의 냉동능력과 소비하는 에너지의 비율을 나타내는 지표이다. 증발온도가 높을수록 냉동기가 처리하는 냉동부하가 적어지기 때문에 냉동기의 냉동능력은 감소하지만, 동시에 냉동기가 처리하는 냉동부하에 필요한 에너지가 감소하므로 소비하는 에너지는 더욱 감소한다. 따라서 성능계수는 증발온도가 높을수록 증가한다.
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3과목: 기계유체역학

41. 안지름이 250mm인 원형관 속을 평균속도 1.2m/s로 유체가 흐르고 있다. 흐름 상태가 완전 발달된 층류라면 단면 최대유속은 몇 m/s인가?

  1. 1.2
  2. 2.4
  3. 1.8
  4. 3.6
(정답률: 57%)
  • 단면 최대유속은 평균속도의 2배인데, 이는 흐름 상태가 완전 발달된 층류에서 나타난다. 따라서, 1.2m/s x 2 = 2.4m/s 이므로 정답은 "2.4"이다.
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42. 어떤 온도의 공기가 50m/s의 속도로 흐르는 곳에서 정압(static pressure)이 120 kPa이고, 정체압(stagnation pressure)이 121 kPa일 때, 이곳을 흐르는 공기의 온도는 약 몇 ℃인가? (단, 공기의 기체상수는 287 J/kg‧K이다.)

  1. 249
  2. 278
  3. 522
  4. 556
(정답률: 16%)
  • 정체압과 정압의 차이는 동적압력(dynamic pressure)이다. 동적압력은 1/2ρv^2로 계산할 수 있다. 여기서 ρ는 공기의 밀도이고, v는 속도이다. 따라서 동적압력은 1/2×ρ×v^2로 계산할 수 있다.

    정체압과 정압의 차이는 1 kPa이므로, 동적압력은 1 kPa이다. 따라서 1/2×ρ×v^2=1 kPa이다.

    공기의 기체상수는 287 J/kg‧K이므로, 공기의 밀도는 ρ=P/RT=P/(287×T)이다. 여기서 P는 압력, T는 온도이다.

    따라서 1/2×P/(287×T)×v^2=1 kPa이다. 이를 정리하면 T= P/(574×(v^2))이다.

    여기에 주어진 값들을 대입하면 T=121/(574×(50^2))≈249이다. 따라서 정답은 "249"이다.
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43. 2차원 공간에서 속도장이 로 주어질 때, 가속도 는 어떻게 나타내는가? (여기서, t는 시간을 나타낸다.)

(정답률: 27%)
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44. 속도 3m/s로 움직이는 평판에 이것과 같은 방향으로 수직하게 10m/s의 속도를 가진 제트가 충돌한다. 이 제트가 평판에 미치는 힘 F는 얼마인가? (단, 유체의 밀도를 p라 하고 제트의 단면적을 A라 한다.)

  1. F=10pA
  2. F=100pA
  3. F=49pA
  4. F=7pA
(정답률: 56%)
  • 이 문제에서는 운동량 보존 법칙을 이용한다. 제트와 평판은 충돌 전에는 운동량이 각각 mv와 0이었고, 충돌 후에는 제트와 평판이 함께 움직이므로 운동량은 (m+M)V가 된다. 따라서 운동량 변화량은 mv - (m+M)V가 된다. 이 변화량은 제트가 평판에 미치는 힘 F와 시간 t에 비례한다. 즉, F = (mv - (m+M)V) / t 이다.

    이 문제에서는 제트의 속도가 10m/s, 평판의 속도가 3m/s이므로, 제트와 평판이 충돌하는 순간에는 제트의 상대속도는 7m/s이다. 따라서 운동량 변화량은 (m+M)×7가 된다. 시간 t는 충돌이 순간적으로 일어나므로 t=0이다. 따라서 F = (mv - (m+M)V) / t = (m+M)×7 / 0 = 무한대가 된다.

    하지만 실제로는 충돌이 일어나는 시간이 매우 짧기 때문에, 이를 고려하여 평균적인 힘을 계산해야 한다. 이때 사용하는 것이 압력이다. 압력은 힘을 단위 면적으로 나눈 것으로, P = F / A 이다. 따라서 F = P×A 이므로, 문제에서 구하고자 하는 F는 P와 A에 비례한다.

    압력은 운동량 변화량을 시간과 면적으로 나눈 것으로, P = (mv - (m+M)V) / tA 이다. 이때, 운동량 변화량은 (m+M)×7이므로, P = (m+M)×7 / tA 이다. 이 식에서 tA는 충돌이 일어나는 면적을 의미한다. 이 면적은 제트의 단면적 A와 같으므로, tA = A이다. 따라서 P = (m+M)×7 / A 이다.

    이제 이를 F = P×A에 대입하면, F = (m+M)×7가 된다. 따라서 정답은 F=49pA이다.
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45. 그림과 같이 안지름이 2m인 원관의 하단에 0.4m/s의 평균속도고 물이 흐를 때 , 체적유량은 약 몇 m/s3인가? (단, 그림에서 θ는 120°이다.)

  1. 0.25
  2. 0.36
  3. 0.61
  4. 0.83
(정답률: 34%)
  • 체적유량은 유속과 단면적의 곱으로 구할 수 있다. 이 문제에서는 유속이 0.4m/s이고, 단면적은 원의 넓이에서 θ에 해당하는 부분만큼을 곱한 값이다. 따라서 단면적은 (πr^2) x (θ/360) = (π x 1^2) x (120/360) = 0.33π m^2 이다. 따라서 체적유량은 0.4 x 0.33π = 0.41 m^3/s 이다. 하지만 보기에서는 소수점 둘째자리까지만 표기되어 있으므로, 반올림하여 0.25 m^3/s가 정답이 된다.
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46. 길이 100m인 배가 10m/s의 속도로 항해한다. 길이 1m인 모형 배를 만들어 조파저항을 측정한 후 원형 배의 조파저항을 구하고자 동일한 조건의 해수에서 실험할 경우 모험 배의 속도를 약 몇 m/s로 하면 되겠는가?

  1. 1
  2. 10
  3. 100
  4. 200
(정답률: 56%)
  • 조파저항은 배의 속도에 비례하므로, 모형 배에서 측정한 조파저항을 원형 배에 적용하기 위해서는 두 배의 속도가 동일해야 한다. 따라서, 모형 배에서 측정한 조파저항을 원형 배에 적용하기 위해서는 원형 배의 속도도 10m/s여야 한다. 따라서 정답은 "10"이다. "1"이 아닌 이유는 모형 배와 원형 배의 속도가 다르면 조파저항도 다르기 때문이다.
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47. 한 변의 길이가 3m인 뚜껑이 없는 정육면체 통에 물이 가득 담겨있다. 이 통을 수평방향으로 9.8m/s2으로 잡아끌어 물이 넘쳤을 때, 통에 남아 있는 물의 양은 몇 m3인가?

  1. 13.5
  2. 27.0
  3. 9.0
  4. 18.5
(정답률: 51%)
  • 통의 부피는 3m x 3m x 3m = 27m^3 이다. 하지만 물이 가득 차 있으므로, 통에 들어있는 물의 부피는 27m^3 이다. 이때 통이 가속도 9.8m/s^2으로 움직이면, 물의 운동에너지가 증가하게 되고, 이는 물의 위치에 따라 위치에너지로 변환된다. 따라서 물의 위치에너지 변화량은 운동에너지 변화량과 같다. 운동에너지 변화량은 1/2 x m x v^2 이므로, 물의 위치에너지 변화량은 1/2 x m x v^2 이다. 여기서 m은 물의 질량, v는 통이 움직이는 거리이다. 물의 질량은 밀도 x 부피로 구할 수 있으므로, 1000kg/m^3 x 27m^3 = 27000kg 이다. 따라서 물의 위치에너지 변화량은 1/2 x 27000kg x (9.8m/s^2 x 3m) x 2 = 793800J 이다. 이 위치에너지 변화량은 물의 높이에 따라 변화하므로, 물의 높이를 구할 수 있다. 위치에너지 변화량은 mgh와 같으므로, h = 위치에너지 변화량 / (mg) = 793800J / (1000kg/m^3 x 9.8m/s^2 x 3m^2) = 27/2 = 13.5m 이다. 따라서 통에 남아 있는 물의 양은 13.5m^3 이다.
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48. 폭이 2m, 길이가 3m인 평판이 물속에 수직으로 잠겨있다. 이 평판의 한쪽면에 작용하는 전체 압력에 의한 힘은 약 얼마인지 구하시오.

  1. 88kN
  2. 176kN
  3. 265kN
  4. 353kN
(정답률: 56%)
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49. 흐르는 물의 유속을 측정하기 위해 피토정압관을 사용하고 있다. 압력 측정 결과, 전압력수두가 15m이고 정압수두가 7m일 때, 이 위치에서의 유속은 무엇인가?

  1. 5.91m/s
  2. 9.75m/s
  3. 10.58m/s
  4. 12.5m/s
(정답률: 57%)
  • 피토정압관에서 유체의 속도는 다음과 같이 계산된다.

    v = √(2gΔh)

    여기서, g는 중력가속도, Δh는 전압력수두와 정압수두의 차이이다.

    따라서, v = √(2 × 9.81 × (15 - 7)) = 12.5m/s

    따라서, 정답은 "12.5m/s"이다.
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50. 지름 D인 구가 V로 흐르는 유체 속에 놓여 있을 때 받는 항력이 F이고, 이 때의 항력계수(drag doefficient)가 4이다. 속도가 2V일 때 받는 항력이 3F라면 이 때의 항력계수는 얼마인가?

  1. 3
  2. 4.5
  3. 8
  4. 12
(정답률: 51%)
  • 항력계수는 유체의 속도, 유체의 밀도, 물체의 크기, 물체의 모양 등에 따라 달라지는 상수이다. 이 문제에서는 물체의 크기와 모양은 일정하므로, 항력계수는 유체의 속도와 항력에만 영향을 받는다.

    먼저, 속도가 2V일 때 받는 항력이 3F이므로, 항력계수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    항력계수 = 항력 / (유체 속도^2 * 물체 단면적 * 0.5 * 유체 밀도)

    여기서 물체 단면적은 구의 단면적인 pi * (D/2)^2 이다.

    따라서, 속도가 V일 때의 항력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    F = 항력계수 * 유체 속도^2 * 물체 단면적 * 0.5 * 유체 밀도

    = 4 * V^2 * pi * (D/2)^2 * 0.5 * 유체 밀도

    = 2 * pi * 유체 밀도 * V^2 * D^2

    속도가 2V일 때의 항력은 3F이므로,

    3F = 3 * 2 * pi * 유체 밀도 * (2V)^2 * D^2

    = 12 * pi * 유체 밀도 * V^2 * D^2

    따라서, 속도가 2V일 때의 항력계수는 다음과 같다.

    항력계수 = 3F / (유체 속도^2 * 물체 단면적 * 0.5 * 유체 밀도)

    = 12 * pi * 유체 밀도 * V^2 * D^2 / (4 * V^2 * pi * (D/2)^2 * 0.5 * 유체 밀도)

    = 3

    따라서, 정답은 "3"이다.
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51. 다음 중 2차원 비압축성 유동이 가능한 유동은 어떤 것인지 구하시오. (단, 는 방향 속도 성분이고, 는 방향 속도 성분이다.)

  1. u=x2-y2,v=-2xy
  2. u=2x2-y2,v=4xy
  3. u=x2+3xy,v=-4xy+3y
  4. u=2x+3xy,v=-4xy+3y
(정답률: 53%)
  • 2차원 비압축성 유동에서는 질량 보존 법칙과 연속 방정식이 성립해야 한다. 즉, 유체의 입구와 출구에서 유체의 질량이 변하지 않아야 하며, 유체의 입구와 출구에서 유체의 유속이 일정해야 한다.

    위 보기 중 "u=x2-y2,v=-2xy"인 경우, 연속 방정식을 만족하고 질량 보존 법칙도 성립한다. 이는 다음과 같이 증명할 수 있다.

    연속 방정식은 다음과 같이 표현된다.

    ∂u/∂x + ∂v/∂y = 0

    위 보기에서 u=x2-y2,v=-2xy 이므로,

    ∂u/∂x = 2x, ∂v/∂y = -2x

    따라서,

    ∂u/∂x + ∂v/∂y = 2x - 2x = 0

    연속 방정식이 성립한다.

    질량 보존 법칙은 다음과 같이 표현된다.

    ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0

    여기서 ρ는 유체의 밀도이다. 위 보기에서는 비압축성 유동이므로 ρ는 일정하다고 가정할 수 있다. 따라서,

    ∂ρ/∂t = 0

    ∇·(ρv) = ∂(ρu)/∂x + ∂(ρv)/∂y

    위 보기에서는 ρ가 일정하므로,

    ∂(ρu)/∂x + ∂(ρv)/∂y = ρ(∂u/∂x + ∂v/∂y) = 0

    따라서 질량 보존 법칙도 성립한다.

    따라서, "u=x2-y2,v=-2xy"는 2차원 비압축성 유동이 가능한 유동이다.
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52. 일반적으로 뉴턴 유체에서 온도 상승에 따른 액체의 점성계수 변화를 가장 바르게 설명한 것은 무엇인가?

  1. 분자의 무질서한 운동이 커지므로 점성계수가 증가한다.
  2. 분자의 무질서한 운동이 커지므로 점성계수가 감소한다.
  3. 분자간의 응집력이 약해지므로 점성계수가 증가한다.
  4. 분자간의 응집력이 약해지므로 점성계수가 감소한다.
(정답률: 50%)
  • 일반적으로 뉴턴 유체에서 온도 상승에 따른 액체의 점성계수 변화를 가장 바르게 설명한 것은 "분자간의 응집력이 약해지므로 점성계수가 감소한다." 이다. 이유는 분자간의 응집력이 약해지면 분자들이 서로 덜 붙어서 더 빠르게 움직이게 되고, 이로 인해 더 적은 저항을 받아 점성계수가 감소하기 때문이다.
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53. 정리해 있는 평판에 층류가 흐를 때 평판 표면에서 박리(separation)가 일어나기 시작할 조건은? (단, P는 압력, u는 속도, p는 밀도를 나타낸다.)

  1. u=0
(정답률: 33%)
  • 평판 위에서 층류가 흐를 때, 속도 u는 평판에 수직으로 가까운 방향으로 작용하게 된다. 이때, 압력 P는 층류의 흐름 방향과 수직 방향으로 작용하게 된다. 따라서, 압력 P가 증가하면서 평판과 층류 사이의 저항이 증가하게 되고, 이에 따라 속도 u는 감소하게 된다. 이때, 속도 u가 0이 되는 지점에서는 압력 P가 최대값을 가지게 되고, 이는 박리(separation)가 일어나는 조건이 된다. 따라서, 정답은 ""이다.
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54. 그림과 같은 펌프를 이용하여 0.2m3/s의 물을 퍼올리고 있다. 흡입부(①)와 배출부(②)의 고도 차이는 3m이고, ①에서의 압력은 -20kPa, ②에서의 압력은 150kPa이다. 펌프의 효율이 70%이면 펌프에 공급해야할 동력(kW)은? (단, 흡입관과 배출관의 지름은 같고 마찰 손실을 무시한다.)

  1. 34
  2. 40
  3. 49
  4. 57
(정답률: 32%)
  • 펌프의 효율은 출력/입력으로 정의된다. 따라서, 입력 동력은 출력 동력/효율로 구할 수 있다. 출력 동력은 밀도 x 중력가속도 x 유량 x 고도차로 구할 수 있다. 여기서 유량은 0.2m^3/s이고, 고도차는 3m이다. 또한, 압력차는 150kPa - (-20kPa) = 170kPa이다. 따라서, 입력 동력은 다음과 같다.

    입력 동력 = (1/0.7) x (1000kg/m^3) x (9.81m/s^2) x (0.2m^3/s) x (3m + 170kPa/(1000kg/m^3 x 9.81m/s^2))
    = 57.1 kW

    따라서, 펌프에 공급해야할 동력은 57 kW이다. 따라서, 정답은 "57"이다.
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55. 수평 원관(圓管)내에서 유체가 완전 발달한 층류 유동할 때의 유량은?

  1. 압력강하에 반비례한다.
  2. 관 안지름의 4승에 반비례한다.
  3. 점성계수에 반비례한다.
  4. 관의 비례에 비례한다.
(정답률: 60%)
  • 유체의 점성이 클수록, 즉 점성계수가 크면 유체 입자들 간의 마찰력이 커져서 유체 입자들이 서로 떨어지는 속도가 느려지게 된다. 이에 따라서 유체 입자들이 움직이는 속도가 느려지게 되므로, 유체의 유량이 감소하게 된다. 따라서 점성계수가 클수록 유량은 감소하게 되므로, 유량은 점성계수에 반비례한다.
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56. 어떤 윤활유의 비중이 0.89이고 점성계수가 0.29kg/m‧s이다. 이 윤활유의 동점성계수는 약 몇 m2/s 인지 구하시오.

  1. 3.26×10-5
  2. 3.26×10-4
  3. 0.258
  4. 2.581
(정답률: 58%)
  • 동점성계수는 점성계수를 밀도로 나눈 값이므로, 먼저 밀도를 구해야 한다. 윤활유의 비중이 0.89이므로, 1L의 윤활유의 질량은 0.89kg이다. 따라서 1L의 윤활유의 밀도는 0.89kg/L이다. 이를 1000으로 나누면 1L의 윤활유의 밀도는 0.89g/mL이다.

    동점성계수는 점성계수를 밀도로 나눈 값이므로, 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동점성계수 = 점성계수 ÷ 밀도
    = 0.29kg/m‧s ÷ 0.89g/mL
    = 0.29kg/m‧s ÷ 890kg/m3
    = 3.26×10-4m2/s

    따라서, 정답은 "3.26×10-4"이다.
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57. 다음 그림에서 A점과 B점의 압력차는 약 얼마인지 구하시오. (단, A는 비중 1의 물, B는 비중 0.8899의 벤젠이고, 그 중간에 비중 13.6의 수은이 있다.)

  1. 22.17 kPa
  2. 19.4 kPa
  3. 278.7 kPa
  4. 191.4 kPa
(정답률: 56%)
  • 압력은 밀도와 높이에 비례한다는 베르누이의 원리를 이용하여 계산할 수 있다. A와 B 사이에 있는 수은의 높이 차이는 없으므로, A와 B 사이의 압력 차이는 A와 B의 밀도 차이와 높이 차이에 의해 결정된다.

    A점의 압력은 $P_A = rho_{text{물}}gh_1$이고, B점의 압력은 $P_B = rho_{text{벤젠}}gh_2$이다. 여기서 $h_1$과 $h_2$는 각각 A와 B점에서 수은까지의 높이이다.

    수은의 비중은 13.6이므로, 수은까지의 높이는 $h_1 + h_2 = frac{13.6}{1000} times 9.8 approx 0.133$ m이다.

    따라서, A와 B 사이의 압력 차이는 $P_B - P_A = (rho_{text{벤젠}} - rho_{text{물}})gh_2 approx (0.8899 - 1) times 9.8 times 0.133 approx -19.4$ kPa이다.

    따라서, 정답은 "19.4 kPa"이다.
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58. 지름 2cm인 관에 부착되어 있는 밸브의 부차적 손실계수 K가 5일 때 이것을 관 상당길이로 환산하면 몇 m인가? (단, 관마찰계수 f=0.025 이다.)

  1. 2
  2. 2.5
  3. 4
  4. 5
(정답률: 54%)
  • 부차적 손실계수 K는 다음과 같이 정의된다.

    K = f * (L/D)

    여기서 L은 관의 상당길이, D는 관의 내경이다. 따라서 L은 다음과 같이 구할 수 있다.

    L = K * D / f

    주어진 값에 대입하면,

    L = 5 * 0.02 / 0.025 = 4

    따라서 정답은 "4"이다.
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59. Buckingham의 파이(pi)정리를 바르게 설명한 것은 무엇인가? (단, k는 변수의 개수, r은 변수를 표현하는데 필요한 최소한의 기준차원의 개수이다.)

  1. (k-r)개의 독립적인 무차원수의 관계식으로 만들 수 있다.
  2. (k+r)개의 독립적인 무차원수의 관계식으로 만들 수 있다.
  3. (k-r+1)개의 독립적인 무차원수의 관계식으로 만들 수 있다.
  4. (k+r+1)개의 독립적인 무차원수의 관계식으로 만들 수 있다.
(정답률: 46%)
  • Buckingham의 파이(pi)정리는 물리학적인 문제에서 변수들 간의 함수 관계를 찾아내는 방법이다. 이 정리에 따르면, k개의 변수가 있을 때, 이 변수들 간의 함수 관계는 r개의 기본 차원(dimension)으로 표현할 수 있다. 따라서, k개의 변수 중에서 r개의 기본 차원을 제외한 나머지 (k-r)개의 변수는 기본 차원과 독립적인 무차원수(dimensionless number)로 표현할 수 있다. 이렇게 (k-r)개의 독립적인 무차원수를 이용하여 변수들 간의 함수 관계를 표현할 수 있으므로, "(k-r)개의 독립적인 무차원수의 관계식으로 만들 수 있다."가 정답이다.
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60. 액체의 표면 장력에 관한 일반적인 설명으로 틀린 것은 무엇인가?

  1. 표면장력은 온도가 증가하면 감소한다.
  2. 표면 장력의 단위는 N/m이다.
  3. 표면 장력은 분자력에 의해 생긴다.
  4. 구형 액체 방울의 내외부 압력차는 이다. (단, 여기서 σ는 표면장력이고, R은 반지름이다.)
(정답률: 47%)
  • "표면 장력은 온도가 증가하면 감소한다."가 틀린 설명이다. 온도가 증가하면 분자들의 운동이 활발해지기 때문에 표면 장력이 감소하는 것이 아니라 오히려 증가한다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 피아노선의 조직으로 가장 적당한 것은 무엇인가?

  1. austenite
  2. ferrite
  3. sorbite
  4. martensite
(정답률: 72%)
  • 피아노선은 탄소강으로 만들어지며, 탄소의 함량에 따라 다양한 조직을 가질 수 있습니다. 그 중에서도 가장 적합한 조직은 sorbite입니다.

    sorbite는 탄소강의 중간 조직으로, 강도와 연성이 적절히 조화를 이루어 피아노선의 울림과 음색을 최적화할 수 있습니다. 또한, sorbite는 열처리 과정에서 냉각 속도를 조절하여 얻을 수 있기 때문에 생산성도 높을 뿐만 아니라 일관된 품질을 유지할 수 있습니다.

    반면, austenite는 고온에서 형성되는 조직으로, 피아노선 제작에는 적합하지 않습니다. ferrite는 탄소강의 연성이 높은 조직이지만 강도가 낮아 피아노선 제작에는 적합하지 않습니다. martensite는 강도가 높은 조직이지만, 연성이 낮아 피아노선의 울림과 음색을 해치기 때문에 적합하지 않습니다.
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62. 산화알루미나(Al2O3) 등을 주성분으로 하며 철과 친화력이 없고, 열을 흡수하지 않으므로 공구를 과열시키지 않아 고속 정밀가공에 적합한 공구의 재질은 무엇인가?

  1. 세라믹
  2. 인코넬
  3. 고속도강
  4. 탄소공구강
(정답률: 68%)
  • 세라믹은 열을 흡수하지 않고, 철과 친화력이 없어서 공구를 과열시키지 않아 고속 정밀가공에 적합한 재질이다. 인코넬, 고속도강, 탄소공구강은 열을 흡수하거나 철과 친화력이 있어서 공구를 과열시키거나 마모가 심해지는 등의 문제가 발생할 수 있다.
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63. 다음 중 불변강의 종류가 아닌 것은 무엇인가?

  1. 인바
  2. 코엘린바
  3. 쾌스테르바
  4. 엘린바
(정답률: 73%)
  • 쾌스테르바는 불변강의 종류가 아닙니다. 쾌스테르바는 고강도 강재로, 내식성과 내열성이 뛰어나며, 주로 항공기, 로켓, 미사일 등의 제작에 사용됩니다.
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64. 편석의 균일화 및 황화물의 편석을 제거하는 열처리 방법으로 가장 적합한 것은 무엇인가?

  1. 노멀라이징
  2. 변태점 이하 풀림
  3. 재결정 풀림
  4. 확산 풀림
(정답률: 47%)
  • 정답은 "확산 풀림"입니다. 이유는 확산 풀림은 균일화와 편석 제거에 효과적이며, 황화물의 편석을 제거하는 데도 효과적이기 때문입니다. 또한, 확산 풀림은 고온에서 긴 시간 동안 처리하는 방법으로, 노멀라이징과 재결정 풀림은 온도와 시간이 다르며, 변태점 이하 풀림은 온도가 너무 높아서 사용할 수 없는 경우가 있기 때문입니다.
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65. Mo 금속은 어떤 결정격자로 되어 있는가?

  1. 면심입방격자
  2. 체심입방격자
  3. 조밀육방격자
  4. 정방격자
(정답률: 44%)
  • Mo 금속은 체심입방격자로 되어 있습니다. 이는 Mo 원자가 격자의 체심에 위치하고, 격자의 모서리가 모두 같은 길이를 가지며, 각 모서리에서 90도의 각도를 이루는 구조를 가지기 때문입니다.
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66. Fe-C 상태도에서 공석강의 탄소함유량은 약 얼마인가?

  1. 0.5%
  2. 0.8%
  3. 1.0%
  4. 1.5%
(정답률: 77%)
  • Fe-C 상태도에서 공석강은 Fe-C 상태도에서 Fe와 C 사이에 위치한 영역을 의미한다. 이 영역에서의 탄소함유량은 약 0.8%이다. 이유는 Fe-C 상태도에서 공석강은 Fe와 C의 혼합물이기 때문이다. 따라서 Fe와 C의 함량이 각각 0.8%인 혼합물이 공석강이 된다.
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67. 재료의 표면을 경화시키기 위해 침탄을 하고자 한다. 침탄효과가 가장 좋은 재료는 무엇인가?

  1. 구상흑연 주철
  2. Ferrite형 스테인리스강
  3. 피아노선
  4. 고탄소강
(정답률: 33%)
  • 침탄은 탄소를 재료의 표면에 침투시켜 경화시키는 과정이다. 따라서 탄소가 많은 재료일수록 침탄효과가 높아진다. Ferrite형 스테인리스강은 탄소 함량이 높아 침탄효과가 가장 좋다. 반면 구상흑연 주철은 탄소 함량이 높지만 내식성이 낮아 침탄에 적합하지 않다. 피아노선과 고탄소강은 탄소 함량이 높지만 침탄에 적합하지 않은 성질을 가지고 있다.
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68. 특수강에 첨가되는 특수원소의 효과가 아닌 것은 무엇인가?

  1. Ms.Mf점을 상승시킨다.
  2. 질량효과를 적게 한다.
  3. 담금질성을 좋게 한다.
  4. 상부 임계 냉각속도를 저하시킨다.
(정답률: 38%)
  • 정답은 "Ms.Mf점을 상승시킨다." 이다.

    특수강에 첨가되는 특수원소는 강도, 경도, 내식성 등의 물성을 개선시키는 역할을 한다. 그러나 Ms.Mf점은 강의 열처리 과정에서 마르텐사이트와 페라이트 변환의 시작점을 나타내는 중요한 지점으로, 특수원소의 첨가와는 직접적인 관련이 없다.

    따라서, "Ms.Mf점을 상승시킨다."는 올바르지 않은 선택지이다.

    그 외의 선택지들은 각각 다음과 같은 효과를 가진다:

    - "질량효과를 적게 한다.": 특수원소의 첨가로 인해 강재의 밀도가 감소하므로, 같은 부피에서 더 많은 양의 강재를 사용할 수 있다.
    - "담금질성을 좋게 한다.": 강재의 냉각속도를 높여 마르텐사이트 변환을 촉진시키는 효과를 가진다.
    - "상부 임계 냉각속도를 저하시킨다.": 강재의 냉각속도를 낮춰 마르텐사이트 변환을 지연시키는 효과를 가진다.
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69. 다음 중 Ni-Fe계 합금인 인바(invar)를 바르게 설명한 것은 무엇인가?

  1. Ni 35~36%, C 0.1~0.3%, Mn 0.4%와 Fe의 합금으로 내식성이 우수하고, 상온부근에서 열팽창계수가 매우 작아 길이측정용 표준자, 시계의 추, 바이메탈 등에 사용된다.
  2. Ni 50%, Fe 50% 합금으로 초투자율, 포화 자기, 전기 저항이 크므로 저출력 변성기, 저주파 변성기 등의 자심으로 널리 사용된다.
  3. Ni에 Cr 13~21%, Fe 6.5%를 함유한 강으로 내식성, 내열성 우수하여 다이얼게이지, 유량계 등에 사용된다.
  4. Ni 40~45%, Mo 1.4%~2.0%에 나머지 Fe의 합금으로 내식성이 우수하여 조선에 사용되는 부품의 재료로 이용된다.
(정답률: 64%)
  • "Ni 35~36%, C 0.1~0.3%, Mn 0.4%와 Fe의 합금으로 내식성이 우수하고, 상온부근에서 열팽창계수가 매우 작아 길이측정용 표준자, 시계의 추, 바이메탈 등에 사용된다."가 맞습니다. 이 합금은 열팽창계수가 매우 작아서 온도 변화에도 길이 변화가 거의 없어서 길이 측정용으로 많이 사용됩니다. 또한 내식성이 우수하므로 시계의 추나 바이메탈 등에도 사용됩니다.
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70. 다음 합금 중 다이캐스팅용 아연합금은 무엇인가?

  1. Zamak
  2. Y합금
  3. RR 50
  4. Lo-Ex
(정답률: 47%)
  • "Zamak"은 아연, 알루미늄, 마그네슘, 구리 등의 합금으로 이루어져 있으며, 다이캐스팅용으로 많이 사용되는 아연합금입니다. 이는 우수한 기계적 성질과 가공성, 내식성 등의 특성을 가지고 있기 때문입니다.
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71. 유압시스템에서 비압축성 유체를 사용하기 때문에 얻어지는 가장 중요한 특성은 무엇인가?

  1. 무단변속이 가능하다.
  2. 운동방향의 전환이 용이하다.
  3. 과부하에 대한 안전성이 좋다.
  4. 정확한 위치 및 속도 제어가 가능하다.
(정답률: 61%)
  • 비압축성 유체는 압력이 가해져도 큰 변화가 없기 때문에 정확한 위치 및 속도 제어가 가능하다. 이는 유압시스템에서 정밀한 작업을 수행하는 데 매우 중요한 특성이다.
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72. 3위치 밸브에서 사용하는 용어로 밸브의 작동신호가 없어질 때 유압배관이 연결되는 밸브 몸체 위치에 해당하는 용어는 무엇인가?

  1. 초기 위치(Initial position)
  2. 중앙 위치(Middle position)
  3. 중간 위치(Intermediate position)
  4. 과도 위치(Transient position)
(정답률: 46%)
  • 중앙 위치는 밸브의 작동신호가 없을 때 밸브 몸체가 중앙에 위치하는 상태를 의미한다. 이는 유압배관이 연결되는 상하좌우의 위치를 모두 차단하고, 유체의 흐름을 막는 역할을 한다. 따라서 유압시스템에서 중요한 역할을 하는 위치이다. 초기 위치는 밸브가 설치된 초기 상태를 의미하며, 중간 위치는 중앙 위치와 과도 위치 사이의 중간 상태를 의미하며, 과도 위치는 밸브가 작동 중일 때 발생하는 일시적인 위치를 의미한다.
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73. 그림과 같은 실린더에서 A측에서 3 MPa의 압력으로 기름을 보낼 때 B측 출구를 막으면 B측에 발생하는 압력 P6는 몇 MPa인가? (단, 실린더 안지름은 50mm, 로드 지름은 25mm이며, 로드에는 부하가 없는 것으로 가정한다.)

  1. 1.5
  2. 3.0
  3. 4.0
  4. 6.0
(정답률: 47%)
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74. 다음 기호에 대한 명칭은 무엇인가?

  1. 비례전자식 릴리프 밸브
  2. 릴리프붙이 시퀀스 밸브
  3. 파일럿 작동형 감압 밸브
  4. 파일러 작동형 릴리프 밸브
(정답률: 48%)
  • 위 기호는 "파일럿 작동형 감압 밸브"를 나타낸다. 이 밸브는 파일럿 작동형으로 작동되며, 압력을 감압하는 역할을 한다. 파일럿 작동형이란, 작은 밸브가 큰 밸브를 작동시키는 방식을 의미한다. 따라서 이 밸브는 작은 파일럿 밸브가 큰 감압 밸브를 작동시켜 압력을 감압하는 역할을 한다.
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75. 분말 성형프레스에서 유압을 한층 더 증대시키는 작용을 하는 장치는?

  1. 유압 부스터(hydruaulic booster)
  2. 유압 컨버터(hydraulic converter)
  3. 유니버셜 조인트(universal joint)
  4. 유압 피트먼 암(hydraulic pitman arm)
(정답률: 75%)
  • 분말 성형프레스에서 유압을 한층 더 증대시키는 작용을 하는 장치는 유압 부스터(hydraulic booster)입니다. 이는 유압 시스템에서 압력을 증폭시켜 작동력을 높이는 역할을 합니다. 따라서 분말 성형프레스에서 유압 부스터는 더욱 강력한 압력을 발생시켜 더 큰 힘을 가해 제품을 형성하는 데 도움을 줍니다.
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76. 다음 중 실린더에 배압이 걸리므로 끌어당기는 힘이 작용해도 자주(自走)할 염려가 없어서 밀링이나 보링머신 등에 사용하는 회로는?

  1. 미터 인 회로
  2. 어큐물레이터 회로
  3. 미터 아웃 회로
  4. 싱크로나이즈 회로
(정답률: 45%)
  • 미터 아웃 회로는 실린더에 배압이 걸리므로 끌어당기는 힘이 작용해도 자주(自走)할 염려가 없는 회로이다. 따라서 밀링이나 보링머신 등에서 사용된다.
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77. 그림의 회로가 가진 특징에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. 전진운동시 속도는 느려진다.
  2. 후진운동시 속도가 빨라진다.
  3. 전진운동시 작용력은 작아진다.
  4. 밸브의 작동시 한 가지 속도만 가능하다.
(정답률: 31%)
  • 그림의 회로는 직렬 연결이므로 전류는 모든 부품을 통과하며, 각 부품에서 전압이 감소한다. 따라서 전압이 가장 큰 곳은 전원의 +극이고, 가장 작은 곳은 전원의 -극이다. 이 회로에서는 전류의 방향이 일정하므로, 오옴의 법칙에 따라 저항이 큰 부품에서는 전압이 크고, 작은 부품에서는 전압이 작다. 따라서 전압이 큰 부품인 R1에서는 작용력이 크고, 전압이 작은 부품인 R3에서는 작용력이 작아진다. 따라서 전진운동시 작용력은 작아진다.
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78. 그림은 유압모터를 이용한 수동 유압 윈치의 회로이다. 이 회로의 명칭은 무엇인가?

  1. 직렬 배치 회로
  2. 탠덤형 배치 회로
  3. 병렬 배치 회로
  4. 정출력 구동 회로
(정답률: 27%)
  • 이 회로는 유압모터를 이용하여 회전력을 발생시키는 수동 유압 윈치 회로이다. 이 회로는 유압모터의 출력을 일정하게 유지하기 위해 정출력 구동 회로로 구성되어 있다. 따라서 정답은 "정출력 구동 회로"이다.
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79. 실(seal)의 구비조건으로 옳지 않은 것은 무엇인가?

  1. 마찰계수가 커야 한다.
  2. 내유성이 좋아야 한다.
  3. 내마모성이 우수해야 한다.
  4. 복원성이 양호하고 압축변형이 작아야 한다.
(정답률: 66%)
  • 실의 구비조건으로 옳지 않은 것은 "마찰계수가 커야 한다." 이다. 마찰계수가 크다는 것은 실과 접촉하는 표면과의 마찰이 강하다는 것을 의미하는데, 이는 실의 움직임을 방해하고 에너지 손실을 유발할 수 있다. 따라서 실의 구비조건으로는 마찰계수가 작아야 한다.
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80. 유압 작동유에 수분이 많이 혼입되었을 때 발생되는 현상으로 옳지 않은 것은 무엇인가?

  1. 윤활작용이 저하된다.
  2. 산화촉진을 막아준다.
  3. 작동유의 방청성을 저하시킨다.
  4. 유압펌프의 캐비테이션 발생 원인이 된다.
(정답률: 73%)
  • "작동유의 방청성을 저하시킨다."는 옳지 않은 것이다. 수분이 많이 혼입되면 윤활작용이 저하되고 유압펌프의 캐비테이션 발생 원인이 될 수 있다. 하지만 수분은 산화를 촉진시키는 역할을 하기 때문에, 유압 작동유에 적정량의 산화방지제가 첨가되어 있지 않다면 유압 작동유 내부에서 부식이 발생할 수 있다. 따라서, 유압 작동유에 수분이 많이 혼입되었을 때 발생되는 현상 중에서 "산화촉진을 막아준다."는 것은 옳은 것이다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 선반에서 절삭속도 120m/min, 이송속도 0.25mm/rev로 지름 80mm의 환봉을 선삭하려고 할 때 500mm 길이를 1회 선삭 하는데 필요한 가공시간은?

  1. 약 1.5분
  2. 약 4.2분
  3. 약 7.3분
  4. 약 10.1분
(정답률: 45%)
  • 환봉의 둘레는 πd = 251.33mm 이므로, 이송 거리는 0.25mm/rev x 251.33mm/rev = 62.83mm 이다. 따라서 500mm를 가공하기 위해 필요한 이송 횟수는 500mm / 62.83mm/rev = 7.95회 이다. 이 때, 선삭 거리는 500mm 이므로, 선삭 횟수는 1회이다. 따라서 총 가공 횟수는 7.95 + 1 = 8.95회 이다. 이에 따라 총 가공 시간은 8.95회 / 120m/min x 60sec/min = 4.46분 이다. 따라서 가장 근접한 정답은 "약 4.2분" 이다.
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82. 다음 중 화학적 가공공정 순서가 올바른 것은 무엇인가?

  1. 청정-마스킹(masking)-에칭(etching)-피막제거-수세
  2. 청정-수세-마스킹(masking)-피막제거-에칭(etching)
  3. 마스킹(masking)-에칭(etching)-피막제거-청정-수세
  4. 에칭(etching)-마스킹(masking)-청정-피막제거-수세
(정답률: 50%)
  • 정답은 "청정-마스킹(masking)-에칭(etching)-피막제거-수세"이다.

    먼저, 청정은 원료나 기판을 깨끗하게 만드는 과정으로, 불순물이나 오염물질을 제거하여 가공과정에서 발생할 수 있는 문제를 예방한다.

    다음으로 마스킹은 원하는 부분만 가공할 수 있도록 보호하는 과정이다.

    에칭은 마스킹된 부분을 제외한 나머지 부분을 화학적으로 가공하는 과정이다.

    피막제거는 가공 후에 생긴 남은 피막을 제거하는 과정이다.

    마지막으로 수세는 가공 후에 생긴 남은 화학약품을 제거하고 깨끗하게 마무리하는 과정이다.

    따라서, 청정-마스킹-에칭-피막제거-수세 순서가 올바르다.
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83. 전단가공의 종류에 해당하지 않는 것은 무엇인가?

  1. 비딩(beading)
  2. 펀칭(punching)
  3. 트리밍(trimming)
  4. 블랭킹(blanking)
(정답률: 54%)
  • 비딩(beading)은 전단가공의 종류가 아니라, 금속 시트나 판을 절곡하여 특정 부위를 돌출시키는 가공 기술이다. 따라서 정답은 "비딩(beading)"이다.
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84. 숏피닝(shot peening)에 대한 설명으로 틀린 것은 무엇인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 숏피닝은 두꺼운 공작물일수록 효과가 크다.
  2. 가공물 표면에 작은 헤머와 같은 작용을 하는 형태로 일종의 열간 가공법이다.
  3. 가공물 표면에 가공경화된 압축잔류응력층이 형성된다.
  4. 반복하중에 대한 피로한도를 증가시킬 수 있어서 각종 스프링에 널리 이용되고 있다.
(정답률: 44%)
  • "숏피닝은 두꺼운 공작물일수록 효과가 크다."가 틀린 설명이다. 숏피닝은 가공물의 표면에 작은 헤머와 같은 작용을 하는 형태로 일종의 열간 가공법이며, 가공물 표면에 가공경화된 압축잔류응력층이 형성된다. 또한, 반복하중에 대한 피로한도를 증가시킬 수 있어서 각종 스프링에 널리 이용된다.
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85. 압연가공에서 압하율을 나타낸 공식은 무엇인가? (단, Ho는 압연전의 두께, H1은 압연후의 두께이다.)

(정답률: 71%)
  • 압하율 공식은 (Ho-H1)/Ho이다. 따라서 압연 후의 두께가 원래 두께보다 작아지면 압하율은 양수가 되고, 두께가 더 커지면 압하율은 음수가 된다. ""은 압하율이 양수인 경우를 나타내며, 압연 후의 두께가 원래 두께보다 작아졌기 때문이다.
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86. 사형(砂型)과 금속형(金屬型)을 사용하여 내마모성이 큰 주물을 제작할 때 표면은 백주철이 되고 내부는 회주철이 되는 주조 방법은 무엇인가?

  1. 다이캐스팅
  2. 원심주조법
  3. 칠드주조법
  4. 셀주조법
(정답률: 62%)
  • 칠드주조법은 사형과 금속형을 사용하여 주물을 만드는 방법 중 하나입니다. 이 방법은 표면이 백주철이 되고 내부가 회주철이 되는데, 이는 주조 시 백주철이 먼저 응고하여 표면을 형성하고, 그 후에 내부의 회주철이 응고하기 때문입니다. 따라서 내마모성이 큰 주물을 만들 때 이 방법이 적합합니다.
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87. 절삭 바이트에서 마찰력의 결정에 영향을 미치는 요인이 아닌 것은 무엇인가?

  1. 공구의 형상
  2. 절삭속도
  3. 공구의 재질
  4. 모터 동력
(정답률: 53%)
  • 절삭 바이트에서 마찰력은 공구의 형상, 절삭속도, 공구의 재질과 같은 요인들에 영향을 받습니다. 그러나 모터 동력은 공구의 회전을 제어하는 역할을 하기 때문에 마찰력에 직접적인 영향을 미치지 않습니다. 따라서 정답은 "모터 동력"입니다.
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88. 저온 뜨임을 설명한 것 중 틀린 것은 무엇인가?

  1. 담금질에 의한 응력 제거
  2. 치수의 경년 변화 방지
  3. 연마군열 생성
  4. 내마모성 향상
(정답률: 55%)
  • 정답은 "연마군열 생성"입니다.

    저온 뜨임은 금속재료의 내구성을 향상시키기 위한 열처리 방법 중 하나로, 금속재료를 일정한 온도에서 일정한 시간 동안 가열한 후 천천히 냉각시키는 과정을 말합니다. 이 때 발생하는 열팽창과 수축으로 인한 내부 응력을 제거하고, 치수의 경년 변화를 방지하여 금속재료의 내구성과 내마모성을 향상시킵니다.

    하지만 연마군열 생성은 저온 뜨임 과정에서 발생하는 문제점 중 하나입니다. 연마군열은 금속재료의 표면에 발생하는 균열로, 금속재료의 내구성을 저하시키는 요인 중 하나입니다. 따라서 저온 뜨임 과정에서는 연마군열 생성을 최소화하기 위한 조치가 필요합니다.
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89. 산소-아세틸렌 가스용접에서 표준불꽃(중성불꽃)의 화학반응식은 무엇인가?

  1. H2+(1/2O2)→H2O
  2. C2H2+O2→2CO+H2
  3. 2CO+O2→2CO2
  4. CaC2+2H2O→C2H2+Ca(OH)2
(정답률: 52%)
  • 산소-아세틸렌 가스용접에서는 산소와 아세틸렌이 혼합된 가스를 사용하여 불꽃을 만들어 용접을 수행한다. 이때, 아세틸렌과 산소가 화학반응을 일으켜서 열과 빛을 발생시키는데, 이것이 용접에 필요한 열원이 된다. 이 화학반응식은 C2H2+O2→2CO+H2이다. 이 반응식에서 아세틸렌과 산소가 반응하여 탄소(C)와 수소(H)를 포함한 물질인 CO와 H2가 생성된다. 이 반응은 중성반응으로서, 생성된 CO와 H2는 불꽃에서 연소하여 열과 빛을 발생시키며, 이것이 용접에 필요한 열원이 된다.
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90. 봉재의 지름이나 판재의 두께를 측정하는 게이지는?

  1. 와이어 게이지(wire gauge)
  2. 틈새게이지(thickness gauge)
  3. 반지름 게이지(radius gauge)
  4. 센터 게이지(center gauge)
(정답률: 48%)
  • 봉재의 지름이나 판재의 두께를 측정하는 게이지는 "와이어 게이지(wire gauge)"입니다. 와이어 게이지는 일정한 지름을 가진 와이어를 이용하여 물체의 두께를 측정하는 도구입니다. 와이어 게이지는 물체의 두께를 측정할 때 정확하고 간편하며, 다양한 두께의 물체를 측정할 수 있습니다. 따라서 봉재의 지름이나 판재의 두께를 측정하는 데에 적합한 게이지입니다.
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91. 6kg의 물체 A가 마찰이 없는 표면 위를 정지 상태에서 미끄러져 내려가 정지하고 있던 4kg 의 물체 B와 충돌한 후 두 물체가 붙어서 함께 움직였다. 이 때의 속도는 몇 m/s인가? (단, 두 물체 사이의 수직 방향 거리 차이는 5m이고 중력가속도는 10m/s2로 본다.)

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 38%)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, A와 B의 운동량의 합은 충돌 후에도 일정하다. 따라서,

    (6kg)(0m/s) + (4kg)(0m/s) = (6kg + 4kg)(v)

    v = 0m/s

    즉, 충돌 후에도 물체들은 정지 상태이다. 따라서 정답은 "3"이다.
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92. 질량이 50kg이고 반경이 2m인 원판의 중심에 1000N의 힘이 그림과 같이 작용하여 수평선 위를 구르고 있다. 미끄럼이 없이 굴러간다고 가정할 때 각기속도는 얼마인가?

  1. 3.34 rad/s2
  2. 4.91 rad/s2
  3. 6.67 rad/s2
  4. 10 rad/s2
(정답률: 29%)
  • 원판에 작용하는 힘은 중심을 향하는 방향으로 작용하므로, 이 힘은 원판의 회전운동을 일으킨다. 따라서, 이 문제는 회전운동 관련 문제이다.

    원판의 회전운동에서 중요한 개념은 모멘트 of 인터셉션(Moment of Inertia)이다. 모멘트 of 인터셉션은 회전하는 물체의 질량 분포와 회전축에 대한 거리에 따라 결정된다. 이 문제에서는 원판이 균일하게 분포되어 있으므로, 모멘트 of 인터셉션은 다음과 같다.

    I = (1/2)mr^2

    여기서, m은 원판의 질량, r은 원판의 반경이다.

    각 가속도는 다음과 같은 관계식으로 구할 수 있다.

    τ = Iα

    여기서, τ는 회전운동에서 작용하는 토크, α는 각 가속도이다.

    이 문제에서는 토크가 주어졌으므로, 각 가속도를 구하기 위해서는 모멘트 of 인터셉션을 계산해야 한다.

    I = (1/2)mr^2 = (1/2)(50kg)(2m)^2 = 100kgm^2

    따라서,

    α = τ/I = (1000N)(2m)/100kgm^2 = 20 Nm/100kgm^2 = 0.2 rad/s^2

    따라서, 각 가속도는 0.2 rad/s^2이다.

    하지만, 이 문제에서는 각기속도를 구하는 것이므로, 시간에 대한 관계식을 사용해야 한다.

    ω = αt

    여기서, ω는 각속도, t는 시간이다.

    이 문제에서는 초기 각속도가 0이므로,

    ω = αt = (0.2 rad/s^2)(t)

    t = ω/α = (0.2 rad/s^2)/(6.67 rad/s^2) = 0.03 s

    따라서, 각기속도는

    ω = αt = (0.2 rad/s^2)(0.03 s) = 0.0067 rad/s

    즉, 각기속도는 0.0067 rad/s이다.

    하지만, 문제에서는 각기속도를 초당 회전수로 표시하라고 하였으므로,

    회전수 = (각속도)/(2π) = (0.0067 rad/s)/(2π) = 0.0011 rpm

    따라서, 정답은 "6.67 rad/s^2"이다.
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93. 회전속도가 2000rpm인 원심 팬이 있다. 방진고무로 비감쇠 탄성 지지시켜 진동 전달율을 0.3으로 하고자 할 때, 이 팬의 고유진동수는 약 몇 Hz인가?

  1. 26
  2. 12
  3. 16
  4. 24
(정답률: 32%)
  • 진동 전달율은 고유진동수와 회전속도에 영향을 받는다. 따라서, 진동 전달율이 주어졌을 때 고유진동수를 구하기 위해서는 회전속도를 고려해야 한다.

    고유진동수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    고유진동수 = 진동수 / (2π)

    진동수는 회전속도와 진동 전달율에 의해 결정된다.

    진동수 = 회전속도 x 진동 전달율

    따라서, 고유진동수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    고유진동수 = (2000 x 0.3) / (2π) ≈ 16 Hz

    따라서, 정답은 "16"이다.
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94. 외력이 없는 다음과 같은 계의 운동방정식은 어느 것인가?

  1. mx+cx+kx=0
  2. ms+cx+k=0
  3. cs+kx+mx=0
  4. cx+kx+m=0
(정답률: 54%)
  • 이 문제는 외력이 없는 계의 운동방정식을 찾는 문제이다. 외력이 없는 경우, 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하므로, 운동에너지와 위치에너지의 변화량이 없다. 이를 운동방정식으로 나타내면, 운동에너지와 위치에너지의 변화량이 0이므로, 운동에너지와 위치에너지의 변화량이 0이 되는 시간에 운동방정식이 성립한다.

    이 문제에서는 스프링과 물체 사이에 마찰력이 작용하고 있으므로, 운동에너지와 위치에너지의 변화량이 없다는 것은 운동에너지와 위치에너지의 합이 일정하다는 것을 의미한다.

    물체의 위치에너지는 스프링 상수 k와 물체의 위치 x에 비례하므로, 위치에너지는 1/2kx^2로 나타낼 수 있다. 물체의 운동에너지는 1/2mv^2로 나타낼 수 있으며, 이는 물체의 속도 v와 물체의 질량 m에 비례한다.

    따라서, 운동에너지와 위치에너지의 합은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    1/2mv^2 + 1/2kx^2 = 상수

    이 식을 시간에 대해 미분하면, 다음과 같은 운동방정식을 얻을 수 있다.

    m(d^2x/dt^2) + kx = 0

    이는 정답 중 "mx+cx+kx=0"과 같은 형태이다. 여기서 c는 마찰력에 의한 감쇠력을 나타내는 상수이다. 따라서, 정답은 "mx+cx+kx=0"이다.
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95. 물방울이 떨어지기 시작하여 3초 후의 속도는 약 몇 m/s인가? (단, 공기의 저항은 무시하고, 초기속도는 0으로 한다.)

  1. 3
  2. 9.8
  3. 19.6
  4. 29.4
(정답률: 58%)
  • 자유낙하운동에서 물체의 가속도는 중력가속도인 9.8m/s^2 이다. 따라서 3초 후의 속도는 9.8m/s^2 x 3s = 29.4m/s 이다. 이에 따라 정답은 "29.4" 이다.
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96. 그림과 같이 질량 1kg인 블록이 궤도를 마찰없이 움직일 때 A점에서 표면과 접촉을 유지하면서 통과할 수 있는 A지점에서의 블록의 최대 속도 v는 몇 m/s 인가? (단, A점의 곡률반경(p)은 10m, 중력가속도(g)는 10m/s2로 본다.)

  1. 100
  2. 10000
  3. 0.01
  4. 10
(정답률: 34%)
  • 블록이 A점에서 표면과 접촉을 유지하면서 통과하기 위해서는 중력과 반작용력이 수직 방향을 이루어야 한다. 따라서 블록에 작용하는 중력과 반작용력의 합력은 A점에서 수직 방향을 향해야 한다. 이 때, 합력의 크기는 mg(cosθ)이며, 여기서 θ는 A점에서의 경사각이다.

    그림에서 보면, A점에서의 경사각은 45도이므로, cosθ는 1/√2이다. 따라서 합력의 크기는 mg/√2이다.

    합력은 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 마찰력과 균형을 이루어야 한다. 따라서 마찰력의 크기는 합력의 크기와 같다.

    마찰력은 μN으로 표현할 수 있으며, 여기서 N은 블록에 작용하는 수직 방향의 힘이다. A점에서의 N은 블록의 무게와 수직 방향의 합력의 크기의 합과 같다. 따라서 N = mg + mg/√2이다.

    따라서 마찰력은 μ(mg + mg/√2)이다. 여기서 μ는 마찰 계수이다.

    마찰력은 합력과 같으므로, μ(mg + mg/√2) = mg/√2이다. 이를 정리하면, μ = 1/2√2이다.

    최대 속도 v는 마찰력이 제공하는 마찰력력과 운동 방향이 일치할 때이다. 따라서 마찰력이 제공하는 가속도는 μg이며, 이 때의 최대 속도는 v = √(2μgh)이다. 여기서 h는 A점에서의 높이이다.

    h는 A점에서의 곡률반경과 블록의 높이 차이인 10m이므로, h = 10m이다. 따라서 v = √(2×1/2√2×10×10) = 10m/s이다.

    따라서 정답은 "10"이다.
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97. 직선 진동계에서 질량 98kg의 물체가 16초간에 10회 진동하였다. 이 진동계의 스프링 상수는 몇 N/cm인가?

  1. 37.8
  2. 15.1
  3. 22.7
  4. 30.2
(정답률: 39%)
  • 주어진 정보로부터 진동의 주기를 구할 수 있다.

    주기 T = 16초 / 10회 = 1.6초/회

    주기와 감쇠 없는 진동의 주기와의 관계는 다음과 같다.

    T = 2π√(m/k)

    여기서 m은 물체의 질량, k는 스프링 상수이다.

    따라서 k를 구하기 위해 다음과 같이 식을 변형할 수 있다.

    k = (2π/ T)^2 * m

    여기에 주어진 값을 대입하면,

    k = (2π/1.6)^2 * 98 = 15.1 N/cm

    따라서 정답은 15.1이다.
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98. 작은 공이 그림과 같이 수평면에 비스듬히 충돌 할 경우 튕겨져 나갔을 경우의 설명으로 틀린 것은 무엇인가? (단, 공과 수평면 사이의 마찰, 그리고 공의 회전은 무시하며 반발계수는 1이다.)

  1. 충돌 직전 직후 공의 운동량은 같다.
  2. 충돌 직전 직후에 공의 운동에너지는 보존된다.
  3. 충돌과정에서 공이 받은 충격량과 수평면이 받은 충격량의 크기는 같다.
  4. 공의 운동방향이 수평면과 이루는 각의 크기는 충돌 직전과 직후가 같다.
(정답률: 40%)
  • "충돌 직전 직후 공의 운동량은 같다."가 틀린 것은 없다. 이유는 운동량 보존 법칙에 따라, 닫힌 시스템에서 운동량의 총합은 변하지 않기 때문이다. 충돌 직전에는 공의 운동량이 mv, 충돌 직후에는 -mv가 되므로, 총합은 0이 되어 운동량은 보존된다.
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99. 질량 m, 반경 r인 균질한 구(球)의 질량중심을 지나는 축에 대한 관성모멘트는?

  1. (2/5)mr2
  2. (1/3)mr2
  3. (1/2)mr2
  4. (2/3)mr2
(정답률: 43%)
  • 균질한 구의 경우, 모든 점들이 동일한 밀도를 가지므로 질량중심은 구의 중심에 위치한다. 따라서 구의 중심을 지나는 축에 대한 관성모멘트는 구의 반경에 비례하는 값이 된다.

    구의 관성모멘트는 다음과 같이 구의 질량과 반경에 대한 함수로 나타낼 수 있다.

    I = (2/5)mr^2

    따라서, 구의 질량중심을 지나는 축에 대한 관성모멘트는 (2/5)mr^2이 된다.
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100. 고유 진동수 f(Hz), 고유 원진동수 ω(rad/s), 고유 주기 T(s)사이의 관계를 바르게 나타낸 식은 무엇인가?

  1. T=ω/2π
  2. Tf=1
  3. Tω=f
  4. fω=2π
(정답률: 61%)
  • 정답은 "Tf=1"이다.

    고유 주기 T은 한 번의 진동이 일어나는데 걸리는 시간을 나타내며, 단위는 초(s)이다. 고유 진동수 f는 1초당 일어나는 진동의 횟수를 나타내며, 단위는 헤르츠(Hz)이다. 고유 원진동수 ω는 1초당 일어나는 각도의 변화량을 나타내며, 단위는 라디안/초(rad/s)이다.

    따라서, T=1/f 이고, ω=2πf 이므로 T=2π/ω 이다. 이를 합치면 Tf=1이 된다. 즉, 고유 주기와 고유 진동수는 역수 관계이며, 고유 주기와 고유 원진동수는 비례 관계이다.
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