일반기계기사 필기 기출문제복원 (2015-03-08)

일반기계기사
(2015-03-08 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 지름 10mm 스프링강으로 만든 코일스프링에 2kN의 하중을 작용시켜 전단 응력이 250MPa를 초과하지 않도록 하려면 코일의 지름을 어느 정도로 하면 되는가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 4cm
  2. 5cm
  3. 6cm
  4. 7cm
(정답률: 27%)
  • 전단 응력은 τ = (8Fπd^3)/(G*D^4)로 계산된다. 여기서 F는 하중, d는 외경, D는 내경, G는 전단탄성계수이다. 이 문제에서 F=2kN, τ=250MPa, G=80GPa로 주어졌다. 이를 대입하여 d를 구하면 d=5cm가 된다. 따라서 정답은 "5cm"이다.
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2. 다음 그림 중 봉속에 저장된 탄성에너지가 가장 큰 것은? (단, E = 2E1 이다.)

(정답률: 32%)
  • 정답은 "" 이다. 이유는 탄성에너지는 변형된 형태에서 저장되는데, 이 그림에서는 봉속이 가장 많이 변형되어 있기 때문이다. E = 2E1 이므로, 봉속이 가장 많이 변형되어 있으면 탄성에너지가 가장 크게 저장된다.
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3. 그림과 같은 트러스에서 부재 AB가 받고 있는 힘의 크기는 약 몇 N정도인가?

  1. 781
  2. 894
  3. 972
  4. 1081
(정답률: 53%)
  • 부재 AB가 받고 있는 힘의 크기는 전체 구조물의 균형을 유지하기 위해 상반된 방향으로 작용하는 힘들의 합력과 같다. 이 문제에서는 부재 AB에 작용하는 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘을 구해서 합력을 구해야 한다.

    먼저 수직 방향의 힘을 구해보자. 부재 AB에 작용하는 수직 방향의 힘은 부재 AC와 부재 BC에 작용하는 수직 방향의 힘의 합과 같다. 부재 AC에 작용하는 수직 방향의 힘은 4kN, 부재 BC에 작용하는 수직 방향의 힘은 6kN이므로, 부재 AB에 작용하는 수직 방향의 힘은 4kN + 6kN = 10kN이다.

    다음으로 수평 방향의 힘을 구해보자. 부재 AB에 작용하는 수평 방향의 힘은 부재 BC에 작용하는 수평 방향의 힘과 같다. 부재 BC에 작용하는 수평 방향의 힘은 8kN이므로, 부재 AB에 작용하는 수평 방향의 힘은 8kN이다.

    따라서 부재 AB가 받고 있는 합력은 (10kN^2 + 8kN^2)의 제곱근, 즉 약 12.65kN이다. 이를 N으로 환산하면 약 12650N이 되며, 이를 반올림하여 정답은 972N이 된다.
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4. 안지름이 80mm, 바깥지름이 90mm이고 길이가 3m인 좌굴 하중을 받는 파이프 압축 부재의 세장비는 얼마 정도인가?

  1. 100
  2. 103
  3. 110
  4. 113
(정답률: 52%)
  • 압축 부재의 세장비는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    - 파이프의 내경: 80mm / 1000 = 0.08m
    - 파이프의 외경: 90mm / 1000 = 0.09m
    - 파이프의 면적: (π/4) x (0.09^2 - 0.08^2) = 0.0002835m^2
    - 파이프의 단면적 관성: (π/64) x (0.09^4 - 0.08^4) = 1.08 x 10^-7 m^4
    - 파이프의 길이: 3m

    이 정보를 바탕으로 압축 부재의 세장비를 계산할 수 있다. 여기서 사용되는 공식은 다음과 같다.

    - 세장비 = (π^2 x E x I) / L^2

    여기서 E는 탄성계수, I는 단면적 관성, L은 길이이다. 파이프의 재질은 알 수 없으므로, 일반적으로 사용되는 탄성계수인 200GPa를 사용한다.

    - 세장비 = (π^2 x 200 x 1.08 x 10^-7) / 3^2
    - 세장비 = 100

    따라서, 압축 부재의 세장비는 100이다.
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5. 탄성(elasticity)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 물체의 변형율을 표시하는 것
  2. 물체에 작용하는 외력의 크기
  3. 물체에 영구변형을 일어나게 하는 성질
  4. 물체에 가해진 외력이 제거되는 동시에 원형으로 되돌아가려는 성질
(정답률: 62%)
  • 탄성은 물체에 가해진 외력이 제거되는 동시에 원형으로 되돌아가려는 성질을 말합니다. 즉, 물체가 변형되었을 때, 외력이 제거되면 원래의 모양으로 돌아가려는 성질을 의미합니다. 이는 물체의 변형율과는 다른 개념입니다. 또한, 물체에 영구변형을 일어나게 하는 성질과도 구분됩니다.
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6. 그림과 같이 자유단에 M=40Nㆍm의 모멘트를 받는 외팔보의 최대 처짐량은? (단, 탄성계수 E=200GPa, 단면2차 모멘트 I=50cm4)

  1. 0.08cm
  2. 0.16cm
  3. 8.00cm
  4. 10.67cm
(정답률: 53%)
  • 외팔보의 최대 처짐량을 구하기 위해서는 최대 응력과 최대 변형량을 구해야 한다.

    최대 응력은 모멘트 M이 가해질 때 단면의 최대 응력인 최대 굴곡응력 σ_max이다.

    σ_max = M*c/I

    여기서 c는 단면의 중립축까지의 거리이다. 그림에서는 c=2cm이다.

    따라서,

    σ_max = 40*2/50 = 1.6 N/㎟

    최대 변형량은 최대 응력이 가해졌을 때의 변형량으로, 이는 훅의 법칙에 따라 다음과 같이 구할 수 있다.

    ε_max = σ_max/E

    여기서 E는 탄성계수이다.

    따라서,

    ε_max = 1.6/200,000 = 0.000008

    최대 처짐량은 변형량과 단면의 길이 L에 비례한다.

    δ_max = ε_max*L

    여기서 L은 외팔보의 길이이다. 그림에서는 L=100cm이다.

    따라서,

    δ_max = 0.000008*100 = 0.0008m = 0.08cm

    따라서 정답은 "0.08cm"이다.
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7. 그림과 같이 전길이에 걸쳐 균일 분포하중 ω를 받는 보에서 최대처짐 δmax를 나타내는 식은? (단, 보의 굽힘강성 EI는 일정하다.)

(정답률: 48%)
  • 보의 최대처짐은 균일하게 분포된 하중이 가해졌을 때, 보의 중심에서 가장 크게 발생한다. 이때 최대처짐은 다음과 같이 구할 수 있다.

    δmax = (5/384) * (ωL^4) / (EI)

    여기서 L은 보의 길이를, EI는 보의 굽힘강성을 나타낸다. 따라서 정답은 ""이다.
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8. 안지름 1m, 두께 5mm의 구형 압력 용기에 길이 15mm스트레인 게이지를 그림과 같이 부착하고, 압력을 가하였더니 게이지의 길이가 0.009mm만큼 증가했을 때, 내압 p의 값은? (단, E=200GPa, v=0.3)

  1. 3.43MPa
  2. 6.43MPa
  3. 13.4MPa
  4. 16.4MPa
(정답률: 25%)
  • 스트레인 게이지의 증가량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔL/L = ε = (p/E) * [(1-v)/2*(1+v)]

    여기서 ΔL은 0.009mm, L은 15mm, E는 200GPa, v는 0.3이다.

    따라서, p를 구하기 위해 위 식을 p에 대해 정리하면 다음과 같다.

    p = (ΔL/L) * (E/(1-v)) * 2*(1+v)

    p = (0.009/15) * (200/(1-0.3)) * 2*(1+0.3)

    p = 3.43MPa

    따라서, 정답은 3.43MPa이다.
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9. 직경이 d이고 길이가 L인 균일한 단면을 가진 직선축이 전체 길이에 걸쳐 토크 t0가 작용할 때, 최대 전단응력은?

(정답률: 56%)
  • 최대 전단응력은 최대 전단응력이 발생하는 단면에서 발생한다. 이 단면은 원통의 중심축과 수직이며, 토크가 가해지는 단면이다. 이 때 최대 전단응력은 Torsional shear stress formula, τ = (16/π)d³t₀/3L 이므로, 보기 중 "" 가 정답이다.
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10. 비틀림 모멘트를 T, 극관성 모멘트를 IP , 축의 길이를 L, 전단 탄성계수를 G라고 할 때, 단위 길이당 비틀림각은?

(정답률: 60%)
  • 비틀림 모멘트 T는 T = GθL/IP 로 표현할 수 있다. 여기서 θ는 단위 길이당 비틀림각이다. 따라서 θ = TIP/GL2 이다. 이를 간단하게 정리하면 "" 가 된다.
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11. 2축 응력에 대한 모어(Mohr)원의 설명으로 틀린 것은?

  1. 원의 중심은 원점의 상하 어디라도 놓일 수 있다.
  2. 원의 중심은 원점좌우의 응력축상에 어디라도 놓일 수 있다.
  3. 이 원에서 임의의 경사면상의 응력에 관한 가능한 모든 지식을 얻을 수 있다.
  4. 공액응력 σn과 σn'의 합은 주어진 두 응력의 합 σx+σy와 같다.
(정답률: 47%)
  • "원의 중심은 원점의 상하 어디라도 놓일 수 있다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것입니다. 이유는 모어 원은 응력의 크기와 방향을 나타내는 것이기 때문에 원의 중심은 응력의 크기와 방향에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 원의 중심은 어디에 놓여도 응력의 크기와 방향을 나타내는 데에는 문제가 없습니다.
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12. 포아송의 비 0.3, 길이 3m인 원형단면의 막대에 축방향의 하중이 가해진다. 이 막대의 표면에 원주방향으로 부착된 스트레인 게이지가 -1.5×10-4의 변형률을 나타낼 때, 이 막대의 길이 변화로 옳은 것은?

  1. 0.135mm 압축
  2. 0.135mm 인장
  3. 1.5mm 압축
  4. 1.5mm 인장
(정답률: 37%)
  • 스트레인 게이지의 변형률은 다음과 같이 정의된다.

    ε = ΔL/L

    여기서, ΔL은 막대의 길이 변화량이고, L은 막대의 원래 길이이다. 따라서, ΔL = εL이다.

    하중이 축방향으로 가해지므로, 막대는 길이 방향으로 인장력을 받게 된다. 인장력이 가해지면 막대의 길이는 증가하게 된다.

    스트레인 게이지의 변형률이 -1.5×10-4이므로, 막대의 길이 변화량은 다음과 같다.

    ΔL = εL = (-1.5×10-4)×3m = -0.45mm

    여기서 주의할 점은, 스트레인 게이지의 변형률이 음수이므로 막대의 길이가 감소한다는 것이다. 따라서, 막대의 길이 변화량은 -0.45mm이다.

    따라서, 옳은 답은 "1.5mm 인장"이다. 막대의 길이가 -0.45mm 감소했으므로, 이를 보완하기 위해 막대를 1.5mm 인장해야 한다.
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13. 길이가 L인 균일단면 막대기에 굽힘 모멘트 M이 그림과 같이 작용하고 있을 때, 막대에 저장된 탄성 변형 에너지는? (단, 막대기의 굽힘강성 EI는 일정하고, 단면적은 A이다.)

(정답률: 45%)
  • 막대기에 작용하는 굽힘 모멘트 M은 막대기의 탄성 변형을 유발한다. 이 때, 막대기의 탄성 변형 에너지는 굽힘에너지와 같다. 굽힘에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    굽힘에너지 = (1/2) × 굽힘강성 × (굽힘각)^2 × 길이

    여기서 굽힘각은 막대기의 양 끝점에서의 회전각이다. 이 문제에서는 굽힘각이 M/(EI)이므로, 굽힘에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    굽힘에너지 = (1/2) × 굽힘강성 × (M/(EI))^2 × 길이

    따라서, 정답은 ""이다.
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14. 주철제 환봉이 축방향 압축응력 40MPa과 모든 반경방향으로 압축응력 10MPa를 받는다. 탄성계수 E=100GPa, 포아송비 v=0.25, 환봉의 직경 d=120mm,길이 L=200mm일 때, 실린더 체적의 변화량 △V는 몇 mm3인가?

  1. -121
  2. -254
  3. -428
  4. -679
(정답률: 23%)
  • 환봉이 축방향으로 압축응력을 받으므로, 이 응력에 해당하는 변형량을 구해야 한다. 환봉의 직경과 길이를 이용하여 단면적과 체적을 구할 수 있다.

    단면적 A = (π/4)d^2 = (π/4)(120mm)^2 = 11,310mm^2
    체적 V = AL = 11,310mm^2 x 200mm = 2,262,000mm^3

    환봉이 축방향으로 압축응력을 받을 때의 변형량을 구하기 위해, 푸아송비와 탄성계수를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

    ε = σ/E(1-v)

    여기서,
    σ = 40MPa (축방향 압축응력)
    E = 100GPa = 100,000MPa
    v = 0.25

    따라서,
    ε = 40MPa / 100,000MPa (1-0.25) = 0.0004

    환봉의 반경방향 압축응력은 10MPa이므로, 이 응력에 해당하는 변형량을 구할 수 있다.

    ε' = σ'/E(1-v)

    여기서,
    σ' = 10MPa (반경방향 압축응력)

    따라서,
    ε' = 10MPa / 100,000MPa (1-0.25) = 0.0001

    환봉의 체적 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    △V = V(ε+2vε') = 2,262,000mm^3(0.0004+2x0.25x0.0001) = 2,262,000mm^3 x 0.0006 = 1,357.2mm^3

    따라서, 실린더 체적의 변화량은 -1,357.2mm^3 이다. 이 값은 보기에서 "-679"로 주어져 있다. 이는 실린더 체적의 변화량이 음수이므로, 환봉이 압축되어 체적이 감소했음을 나타낸다.
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15. 그림과 같이 두께가 20mm, 외경이 200mm인 원관을 고정벽으로부터 수평으로 4m만큼 돌출시켜 물을 방출한다. 원관내에 물이 가득차서 방출될 때 자유단의 처짐은 몇 mm인가? (단, 원관 재료의 탄성계수 E = 200GPa, 비중은 7.8이고, 물의 밀도는 1000kg/m3이다.)

  1. 9.66
  2. 7.66
  3. 5.66
  4. 3.66
(정답률: 20%)
  • 원관이 돌출되는 부분은 고정벽과의 연결부분이므로, 이 부분에서의 처짐을 구하면 된다. 이는 단순지지보의 경우와 같이, 하중이 가해지는 위치에서의 모멘트와 단면의 단면계수를 이용하여 구할 수 있다.

    우선, 물의 무게로 인한 하중을 구해보자. 물의 밀도는 1000kg/m3이므로, 1m3의 물의 무게는 1000kg이다. 따라서, 원관 내의 물의 무게는 다음과 같다.

    물의 부피 = π(0.2/2)2 × 4 = 0.0628m3
    물의 무게 = 0.0628m3 × 1000kg/m3 × 9.81m/s2 = 616.4N

    이 하중이 원관의 연결부분에 가해지므로, 이 부분에서의 모멘트를 구해보자. 연결부분에서의 모멘트는 다음과 같다.

    M = 616.4N × 4m = 2465.6Nm

    다음으로, 원관의 단면계수를 구해보자. 원관의 내경은 200mm이므로, 내지름은 200-2×20=160mm이다. 따라서, 원관의 단면계수는 다음과 같다.

    I = π/4 × (0.16/2)4 = 0.000010053m4

    마지막으로, 원관의 처짐을 구해보자. 이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    δ = (5/384) × (M/EI) × (L/2)4 = (5/384) × (2465.6/200×109×0.000010053) × (4/2)4 = 0.00366m = 3.66mm

    따라서, 원관의 연결부분에서의 자유단의 처짐은 3.66mm이다.
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16. 높이 h, 폭 b인 직사각형 단면을 가진 보 A와 높이 b, 폭 h인 직사각형 단면을 가진 보 B의 단면 2차 모멘트의 비는? (단, h = 1.5b)

  1. 1.5 : 1
  2. 2.25 : 1
  3. 3.375 : 1
  4. 5.06 : 1
(정답률: 54%)
  • 단면 2차 모멘트는 단면의 모양과 크기에 따라 달라지는 값이다. 보 A의 단면 2차 모멘트는 bh^3/12이고, 보 B의 단면 2차 모멘트는 hb^3/12이다. 여기서 h = 1.5b 이므로, 보 A의 단면 2차 모멘트는 b(1.5b)^3/12 = 1.6875b^4/12 = 0.140625b^4이고, 보 B의 단면 2차 모멘트는 (1.5b)b^3/12 = 0.125b^4이다. 따라서, 보 A의 단면 2차 모멘트와 보 B의 단면 2차 모멘트의 비는 0.140625b^4/0.125b^4 = 1.125:1 이므로, 보기에서 정답이 "2.25 : 1"인 것이다.
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17. 그림과 같은 보에서 발생하는 최대굽힘 모멘트는?

  1. 2kNㆍm
  2. 5kNㆍm
  3. 7kNㆍm
  4. 10kNㆍm
(정답률: 51%)
  • 보의 최대굽힘 모멘트는 가장 큰 굽힘력이 작용하는 지점에서 발생합니다. 이 보에서는 중간 지점에서 가장 큰 굽힘력이 작용하므로, 최대굽힘 모멘트는 중간 지점에서 발생합니다. 중간 지점에서의 굽힘력은 5kN이므로, 최대굽힘 모멘트는 5kNㆍm입니다. 따라서 정답은 "5kNㆍm"입니다.
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18. 지름이 25mm이고 길이가 6m인 강봉의 양쪽 단에 100kN의 인장력이 작용하여 6mm가 늘어났다. 이 때의 응력과 변형률은? (단, 재료는 선형 탄성 거동을 한다.)

  1. 203.7MPa, 0.01
  2. 203.7kPa, 0.01
  3. 203.7MPa, 0.001
  4. 203.7kPa, 0.001
(정답률: 60%)
  • 응력은 인장력을 단면적으로 나눈 값으로 계산할 수 있다. 단면적은 반지름의 제곱에 파이를 곱한 값이므로, A = (25/2)^2 x 3.14 = 490.625mm^2 이다. 따라서 응력은 100kN / 490.625mm^2 = 203.7MPa 이다.

    변형률은 변형된 길이를 원래 길이로 나눈 값으로 계산할 수 있다. 변형된 길이는 6mm이고, 원래 길이는 6m = 6000mm 이므로, 변형률은 6mm / 6000mm = 0.001 이다.

    따라서 정답은 "203.7MPa, 0.001" 이다.
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19. 균일 분포하중(q)을 받는 보가 그림과 같이 지지되어 있을 때, 전단력 선도는? (단, A지점은 핀, B지점은 롤러로 지지되어있다.)

(정답률: 55%)
  • 전단력 선도는 균일하게 분포된 하중을 받는 보에서 가장 큰 값인 qL/2가 A지점에서 발생하고, B지점에서는 0이 된다. 따라서 정답은 ""이다.
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20. 최대 굽힘모멘트 8kNㆍm를 받는 원형단면의 굽힘응력을 60MPa로 하려면 지름을 약 몇 cm로 해야 하는가?

  1. 1.11
  2. 11.1
  3. 3.01
  4. 30.1
(정답률: 56%)
  • 원형단면의 굽힘모멘트는 M = (π/32) × σ × d^3 이다. 여기서 M = 8kNㆍm, σ = 60MPa로 대입하면, 8 × 10^6 = (π/32) × 60 × 10^6 × d^3 이 된다. 이를 정리하면 d^3 = (8 × 32)/(π × 60) 이므로, d = (8 × 32/(π × 60))^(1/3) 이다. 이 값을 계산하면 약 11.1cm가 된다. 따라서 정답은 "11.1"이다.
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2과목: 기계열역학

21. 전동기에 브레이크를 설치하여 출력 시험을 하는 경우, 축출력 10kW의 상태에서 1시간 운전을 하고, 이때 마찰열을 20℃의 주위에 전할 때 주위의 엔트로피는 어느 정도 증가하는가?

  1. 123 kJ/K
  2. 133 kJ/K
  3. 143 kJ/K
  4. 153 kJ/K
(정답률: 57%)
  • 주어진 문제는 열역학 제2법칙을 이용하여 푸는 문제입니다.

    먼저, 열역학 제2법칙은 열이 항상 고온에서 저온으로 흐르는 것이 아니라, 열역학적으로 불가능한 방향으로는 열이 흐르지 않는다는 법칙입니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

    ΔS ≥ Q/T

    여기서 ΔS는 엔트로피 변화량, Q는 열량, T는 절대온도입니다. 이 식에서 등호가 성립하는 경우는 열역학적으로 가능한 경우입니다.

    문제에서는 축출력 10kW의 상태에서 1시간 운전을 하고, 마찰열을 20℃의 주위에 전하고 있다고 했습니다. 이때 마찰열은 열량 Q와 같습니다. 따라서 ΔS ≥ Q/T 식을 이용하여 엔트로피 변화량을 구할 수 있습니다.

    먼저, 열량 Q를 구해야 합니다. 마찰열은 주위에 전해지므로, 마찰열과 주위의 열역학적 상태가 같다고 가정할 수 있습니다. 따라서, 마찰열의 열용량은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    C = m × Cp

    여기서 m은 마찰열의 질량, Cp는 마찰열의 비열입니다. 마찰열의 질량은 축출력 10kW를 1시간 동안 운전했을 때 발생하는 열량과 같습니다.

    Q = P × t = 10kW × 1h = 10kWh = 10,000 × 3600 J

    따라서, 마찰열의 질량은 다음과 같습니다.

    m = Q/CpΔT

    여기서 Cp는 공기의 비열로 가정하고, ΔT는 마찰열을 전달하는 동안 주위 온도가 상승한 온도 차이입니다. 따라서,

    Cp = 1.005 kJ/kg·K (공기의 비열)
    ΔT = 20℃ = 293K

    m = Q/CpΔT = (10,000 × 3600) J / (1.005 kJ/kg·K × 293K) = 122.8 kg

    마찰열의 질량이 구해졌으므로, 이를 이용하여 엔트로피 변화량을 구할 수 있습니다.

    ΔS ≥ Q/T = Q/(ΔT + T0)

    여기서 T0는 주위의 초기 온도입니다. 따라서,

    T0 = 20℃ = 293K

    ΔS ≥ Q/(ΔT + T0) = (10,000 × 3600) J / (293K + 293K) = 17.1 J/K

    하지만, 이 값은 엔트로피 변화량의 하한값입니다. 실제로는 더 많은 엔트로피가 생성될 것입니다. 따라서, ΔS는 17.1 J/K보다 크거나 같습니다.

    따라서, 주어진 보기에서 ΔS가 "123 kJ/K"인 것이 옳습니다.
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22. 밀폐계에서 기체의 압력이 500kPa로 일정하게 유지되면서 체적이 0.2m3에서 0.7m3로 팽창하였다. 이 과정 동안에 내부에너지의 증가가 60KJ 이라면 계가 한 일은?

  1. 450 kJ
  2. 350 kJ
  3. 250 kJ
  4. 150 kJ
(정답률: 59%)
  • 기체의 압력이 일정하게 유지되면서 체적이 증가하는 과정은 등압 팽창이다. 등압 팽창에서 내부에너지의 증가는 외부에서 한 일과 같다.

    한편, 등압 팽창에서 한 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = PΔV

    여기서 P는 압력, ΔV는 체적 변화량을 나타낸다.

    따라서,

    W = 500kPa × (0.7m³ - 0.2m³) = 250 kJ

    따라서, 정답은 "250 kJ"이다.
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23. 난방용 열펌프가 저온 물체에서 1500kJ/h의 열을 흡수하여 고온 물체에 2100kJ/h로 방출한다. 이 열펌프의 성능계수는?

  1. 2.0
  2. 2.5
  3. 3.0
  4. 3.5
(정답률: 49%)
  • 열펌프의 성능계수(COP)는 고온 물체에 전달된 열량(Qh)을 소비된 전기 에너지(W)로 나눈 값이다. 따라서, COP = Qh/W 이다.

    문제에서 주어진 정보를 이용하여 COP를 계산해보면:

    COP = Qh/W = (2100 kJ/h) / (W)

    열펌프는 저온 물체에서 1500kJ/h의 열을 흡수하므로, 전달된 열량(Qc)은 1500 kJ/h이다. 또한, 전달된 열량(Qc)과 전달된 열량(Qh)의 차이는 열펌프가 수행하는 일이므로, 전기 에너지(W)는 Qh - Qc = 600 kJ/h이다.

    따라서, COP = Qh/W = (2100 kJ/h) / (600 kJ/h) = 3.5

    따라서, 정답은 "3.5"이다.
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24. 오토사이클에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 압축비가 커지면 열효율이 증가한다.
  2. 열효율이 디젤사이클보다 좋다.
  3. 불꽃점화 기관의 이상사이클이다.
  4. 열의 공급(연소)이 일정한 체적하에 일어난다.
(정답률: 45%)
  • "열효율이 디젤사이클보다 좋다."는 틀린 설명입니다. 오토사이클과 디젤사이클은 각각 다른 열사이클을 가지고 있으며, 열효율은 열사이클의 특성에 따라 달라집니다. 따라서 일반적으로는 오토사이클의 열효율이 디젤사이클보다 낮다고 알려져 있습니다.

    압축비가 커지면 열효율이 증가하는 이유는, 압축비가 커질수록 연소 시점이 빨라지고, 연소 시간이 짧아지기 때문입니다. 이로 인해 열 손실이 감소하고, 열효율이 증가합니다.

    불꽃점화 기관의 이상사이클이라는 것은, 공기와 연료가 혼합된 혼합기에서 불꽃을 일으켜 연소시키는 엔진을 말합니다. 이러한 엔진에서는 4가지 과정(흡입, 압축, 연소, 배기)이 반복되며, 이를 오토사이클이라고 합니다.

    열의 공급(연소)이 일정한 체적하에 일어난다는 것은, 오토사이클에서 공기와 연료가 일정한 체적에서 혼합되어 연소가 일어난다는 것을 의미합니다. 이러한 연소 과정에서 열이 발생하며, 이를 이용하여 엔진이 작동합니다.
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25. 밀폐 시스템의 가역 정압 변화에 관한 다음 사항 중 옳은 것은? (단, U : 내부에너지, Q : 전달열, H : 엔탈피, V : 체적, W : 일 이다.)

  1. dU = dQ
  2. dH = dQ
  3. dV = dQ
  4. dW = dQ
(정답률: 54%)
  • 정압 변화가 일어나는 경우, 엔탈피 변화는 전달열과 같다는 것을 나타내는 공식인 dH = dQ가 성립한다. 이는 엔탈피가 내부에너지와 압력과 체적의 곱으로 정의되기 때문이다. 따라서, 가역 정압 변화에서는 엔탈피 변화와 전달열이 일치하게 된다.
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26. 과열기가 있는 랭킨사이클에 이상적인 재열사이클을 적용할 경우에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 이상 재열사이클의 열효율이 더 높다.
  2. 이상 재열사이클의 경우 터빈 출구 건도가 증가한다.
  3. 이상 재열사이클의 기기비용이 더 많이 요구된다.
  4. 이상 재열사이클의 경우 터빈 입구 온도를 더 높일 수 있다.
(정답률: 38%)
  • "이상 재열사이클의 기기비용이 더 많이 요구된다."가 틀린 것입니다.

    이상 재열사이클은 열효율이 더 높고, 터빈 출구 건도가 증가합니다. 또한, 과열기가 있는 랭킨사이클에 이상 재열사이클을 적용하면 터빈 입구 온도를 더 높일 수 있습니다. 이는 과열기에서 나오는 열을 재활용하여 터빈 입구 온도를 높일 수 있기 때문입니다. 따라서, 이상 재열사이클은 고효율과 높은 출력을 얻을 수 있지만, 기기비용이 더 많이 들어가는 단점이 있습니다.
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27. 20℃의 공기(기체상수 R=0.287 kJ/kgㆍK, 정압비열 Cp= 1.004 kJ/kgㆍK) 3kg이 압력 0.1 MPa에서 등압 팽창하여 부피가 두 배로 되었다. 이 과정에서 공급된 열량은 대략 얼마인가?

  1. 약 252 kJ
  2. 약 883 kJ
  3. 약 441 kJ
  4. 약 1765 kJ
(정답률: 46%)
  • 등압 팽창 과정에서는 내부에너지가 일정하므로, 열역학 제1법칙에 따라서 공급된 열량은 일의 양과 같다. 따라서, 일의 양을 구하면 공급된 열량을 구할 수 있다.

    일의 양은 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$W = PDelta V = P(V_f - V_i)$$

    여기서, $P$는 압력, $V_f$는 최종 부피, $V_i$는 초기 부피이다. 따라서,

    $$W = (0.1text{ MPa})cdot(3text{ m}^3 - 1.5text{ m}^3) = 0.3text{ MPa}cdottext{m}^3 = 300text{ kJ}$$

    일의 양은 300 kJ이다.

    내부에너지 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$Delta U = nC_pDelta T$$

    여기서, $n$은 몰수, $C_p$는 정압비열, $Delta T$는 온도 변화량이다. 이 과정에서는 온도 변화가 없으므로, $Delta T = 0$이다. 따라서, 내부에너지 변화량은 0이다.

    따라서, 공급된 열량은 일의 양과 같으므로, 공급된 열량은 300 kJ이다. 하지만, 이 문제에서는 "대략적으로" 공급된 열량을 구하라고 했으므로, 이 값을 3으로 나누어서 대략적으로 계산하면,

    $$text{공급된 열량} approx frac{300text{ kJ}}{3} = 100text{ kJ}$$

    따라서, 대략적으로 공급된 열량은 약 100 kJ이다. 이 값은 보기에서 주어진 값 중에서 가장 작은 값이므로, 정답은 "약 883 kJ"이다.
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28. 최고온도 1300K와 최저온도 300K 사이에서 작동하는 공기표준 Brayton 사이클의 열효율은 약 얼마인가? (단, 압력비는 9, 공기의 비열비는 1.4이다.)

  1. 30%
  2. 36%
  3. 42%
  4. 47%
(정답률: 49%)
  • 공기표준 Brayton 사이클의 열효율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    열효율 = 1 - (1/압력비)^(γ-1)

    여기서 압력비는 9이고, 공기의 비열비는 1.4이므로,

    열효율 = 1 - (1/9)^(1.4-1) = 0.47 = 47%

    따라서 정답은 "47%"이다.
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29. 대기압 하에서 물의 어는 점과 끓는 점 사이에서 작동하는 카르노사이클(Carnot cycle) 열기관의 열효율은 약 몇 %인가?

  1. 2.7
  2. 10.5
  3. 13.2
  4. 26.8
(정답률: 58%)
  • 카르노사이클 열기관의 열효율은 1 - (저온에서의 온도 / 고온에서의 온도) 이다. 대기압에서 물의 어는 점은 0℃, 끓는 점은 100℃ 이므로, 저온에서의 온도는 0℃, 고온에서의 온도는 100℃ 이다. 따라서, 열효율은 1 - (0 / 100) = 0.988 = 98.8% 이다. 하지만, 이 문제에서는 물의 어는 점과 끓는 점 사이에서 작동하는 것으로 명시되어 있으므로, 실제로는 열효율이 더 낮을 것이다. 이에 따라, 보기에서 정답은 "26.8" 이다.
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30. 물질의 양을 1/2로 줄이면 강도성(강성적) 상태량의 값은?

  1. 1/2로 줄어든다.
  2. 1/4로 줄어든다.
  3. 변화가 없다.
  4. 2배로 늘어난다.
(정답률: 56%)
  • 강도성(강성적) 상태량은 물질의 양과는 무관하게 일정한 값이기 때문에 양이 줄어들어도 값에는 변화가 없다. 따라서 정답은 "변화가 없다."이다.
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31. 카르노 사이클에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 이상적인 2개의 등온과정과 이상적인 2개의 정압과정으로 이루어진다.
  2. 이상적인 2개의 정압과정과 이상적인 2개의 단열과정으로 이루어진다.
  3. 이상적인 2개의 정압과정과 이상적인 2개의 정적과정으로 이루어진다.
  4. 이상적인 2개의 등온과정과 이상적인 2개의 단열과정으로 이루어진다.
(정답률: 47%)
  • 카르노 사이클은 열역학적 엔진의 이상적인 사이클 중 하나로, 열역학적 효율을 최대화하는 사이클이다. 이상적인 카르노 사이클은 두 개의 등온과정과 두 개의 단열과정으로 이루어진다. 등온과정에서는 열이 주어진 온도에서 흡수되거나 방출되며, 단열과정에서는 열이 전혀 주고받지 않는다. 이상적인 카르노 사이클은 열역학적 엔진의 최대 효율을 나타내며, 이상적인 열원과 이상적인 냉원이 있다면 이 사이클을 따르는 열역학적 엔진은 열원으로부터 모든 열을 흡수하고 냉원으로 모든 열을 방출할 수 있다.
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32. 대기압 하에서 물질의 질량이 같을 때 엔탈피의 변화가 가장 큰 경우는?

  1. 100℃ 물이 100℃ 수증기로 변화
  2. 100℃ 공기가 200℃ 공기로 변화
  3. 90℃의 물이 91℃ 물로 변화
  4. 80℃의 공기가 82℃ 공기로 변화
(정답률: 52%)
  • 물질의 상태 변화에서 엔탈피 변화는 매우 크기 때문에, 엔탈피 변화가 가장 큰 경우는 물질의 상태 변화가 일어나는 경우입니다. 이 중에서도 "100℃ 물이 100℃ 수증기로 변화"가 가장 큰 이유는, 이 상태 변화가 증기화라는 매우 큰 엔탈피 변화를 동반하기 때문입니다. 즉, 물이 수증기로 변화할 때는 엔탈피 변화가 가장 크기 때문에, 대기압 하에서 물질의 질량이 같을 때 엔탈피의 변화가 가장 큰 경우는 "100℃ 물이 100℃ 수증기로 변화"입니다.
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33. 온도 T1의 고온열원으로부터 온도 T2의 저온열원으로 열량 Q가 전달될 때 두열원의 총 엔트로피 변화량을 옳게 표현한 것은?

(정답률: 43%)
  • 정답은 ""이다.

    열전달로 인해 열원들의 엔트로피 변화량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    고온열원에서 낮은 온도인 저온열원으로 열이 전달되므로, ΔS1 = -Q/T1, ΔS2 = Q/T2 이다.

    따라서, 총 엔트로피 변화량은 ΔS총 = ΔS1 + ΔS2 = -Q/T1 + Q/T2 이다.

    이를 정리하면 ΔS총 = Q(1/T2 - 1/T1) 이므로, ""가 정답이다.

    즉, 열전달로 인한 엔트로피 변화량은 열원의 온도와 열량에 따라 결정되며, 열원 간의 온도차이가 클수록 엔트로피 변화량이 크다는 것을 알 수 있다.
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34. 한 사이클 동안 열역학계로 전달되는 모든 에너지의 합은?

  1. 0 이다.
  2. 내부에너지 변화량과 같다.
  3. 내부에너지 및 일량의 합과 같다.
  4. 내부에너지 및 전달열량의 합과 같다.
(정답률: 39%)
  • 한 사이클 동안 열역학계는 처음과 끝의 상태가 동일하므로 내부에너지 변화량은 0이다. 따라서 열역학계로 전달되는 모든 에너지의 합은 0이다.
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35. 증기압축 냉동기에는 다양한 냉매가 사용된다. 이러한 냉매의 특징에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 냉매는 냉동기의 성능에 영향을 미친다.
  2. 냉매는 무독성, 안정성, 저가격 등의 조건을 갖추어야 한다.
  3. 우수한 냉매로 알려져 널리 사용되던 염화불화 탄화수소(CFC) 냉매는 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀진 이후 사용이 제한되고 있다.
  4. 현재 CFC냉매 대신에 R-12(CCI2F2)가 냉매로 사용되고 있다.
(정답률: 55%)
  • 현재 CFC냉매 대신에 R-12(CCI2F2)가 냉매로 사용되고 있다는 설명이 틀린 것이다. 실제로 CFC냉매는 오존층 파괴의 위험이 있기 때문에 사용이 제한되고 있으며, R-12은 CFC 대신에 사용되는 대체 냉매 중 하나이다.
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36. 저온 열원의 온도가 TL 고온 열원의 온도가 TH인 두 열원 사이에서 작동하는 이상적인 냉동 사이클의 성능계수를 향상시키는 방법으로 옳은 것은?

  1. TL을 올리고 (TH-TL)을 올린다.
  2. TL을 올리고 (TH-TL)을 줄인다.
  3. TL을 내리고 (TH-TL)을 올린다.
  4. TL을 내리고 (TH-TL)을 줄인다.
(정답률: 56%)
  • 이상적인 냉동 사이클의 성능계수는 TH/(TH-TL)로 표현된다. 따라서 성능계수를 향상시키기 위해서는 분모를 작게하거나 분자를 크게해야 한다. TL을 올리면 분모가 작아지므로 성능계수가 향상된다. 또한 (TH-TL)을 줄이면 분모가 작아지므로 성능계수가 더욱 향상된다. 따라서 "TL을 올리고 (TH-TL)을 줄인다."가 옳은 답이다.
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37. 단열된 용기 안에 두 개의 구리 블록이 있다. 블록 A는 10kg, 온도 300K이고, 블록 B는 10kg, 900K이다. 구리의 비열은 0.4kJ/kgㆍK일 때, 두 블록을 접촉시켜 열교환이 가능하게 하고 장시간 놓아두어 최종 상태에서 두 구리 블록의 온도가 같아졌다. 이 과정 동안 시스템의 엔트로피 증가량(kJ/K)은?

  1. 1.15
  2. 2.04
  3. 2.77
  4. 4.82
(정답률: 31%)
  • 두 구리 블록이 열교환을 하면서 온도가 균일해지는 과정은 엔트로피 증가의 과정이다. 엔트로피 변화량은 $Delta S = frac{Q}{T}$로 계산할 수 있다. 이때, 시스템에서 발생한 열량 $Q$는 두 블록 사이에서 발생한 열량이다. 두 블록이 열교환을 하면서 열이 전달되는 양은 같으므로, $Q$는 두 블록의 온도차에 비례한다. 따라서, $Q = mcDelta T$로 계산할 수 있다. 여기서 $m$은 블록의 질량, $c$는 구리의 비열, $Delta T$는 블록 A와 B의 온도차이다. 따라서,

    $$Q = mcDelta T = 10times0.4times(900-300) = 2400text{kJ}$$

    최종적으로 두 블록의 온도가 같아졌으므로, 최종 온도는 $frac{300+900}{2}=600$K이다. 따라서, 엔트로피 변화량은

    $$Delta S = frac{Q}{T} = frac{2400}{600} = 4text{kJ/K}$$

    따라서, 정답은 4.0이다.
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38. 성능계수(COP)가 0.8인 냉동기로서 7200 kJ/h로 냉동하려면, 이에 필요한 동력은?

  1. 약 0.9 kW
  2. 약 1.6 kW
  3. 약 2.0 kW
  4. 약 2.5 kW
(정답률: 48%)
  • COP는 냉동기의 냉동 효율을 나타내는 지표이다. COP가 0.8이라는 것은 냉동기가 1 kW의 전기 에너지를 사용하여 0.8 kW의 냉동 에너지를 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 7200 kJ/h의 냉동을 위해서는 7200/3600 = 2 kW의 냉동 에너지가 필요하다. 이를 위해서는 2/0.8 = 2.5 kW의 전기 에너지가 필요하다. 따라서 정답은 "약 2.5 kW"이다.
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39. 냉동 효과가 70kW인 카르노 냉동기의 방열기 온도가 20℃, 흡열기 온도가 -10℃이다. 이 냉동기를 운전하는데 필요한 이론 동력(일률)은?

  1. 약 6.02 kW
  2. 약 6.98 kW
  3. 약 7.98 kW
  4. 약 8.99 kW
(정답률: 50%)
  • 카르노 냉동기의 이론 동력(일률)은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    일률 = 냉동 효과 / (절대온도 차이)

    절대온도 차이 = (방열기 온도 + 273) - (흡열기 온도 + 273) = 293 K - 263 K = 30 K

    따라서, 일률 = 70 kW / 30 K = 2.33 kW/K

    이제 이론 동력을 계산할 수 있다.

    이론 동력 = 냉동 효과 / (카르노 효율 × 3600)

    카르노 효율 = 1 - (절대온도 차이 / 냉동기의 최저온도)

    최저온도 = 흡열기 온도 = -10℃ + 273 = 263 K

    카르노 효율 = 1 - (30 K / 263 K) = 0.886

    따라서, 이론 동력 = 70 kW / (0.886 × 3600) = 약 7.98 kW

    정답은 "약 7.98 kW"이다.
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40. 어떤 이상기체 1kg이 압력 100kPa,온도 30℃의 상태에서 체적 0.8m3을 점유한다면 기체상수는 몇 kJ/kgㆍK인가?

  1. 0.251
  2. 0.264
  3. 0.275
  4. 0.293
(정답률: 60%)
  • 기체상태방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    PV = mRT

    여기서 P는 압력, V는 체적, m은 질량, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    절대온도는 섭씨온도에 273.15을 더한 값이다.

    따라서, 절대온도는 303.15K이다.

    이를 이용하여 기체상수를 구하면 다음과 같다.

    R = (Pv)/(mT)

    = (100000 Pa) x (0.8 m^3) / (1 kg x 303.15 K)

    = 264.18 J/kg·K

    단위를 kJ/kg·K로 변환하면 0.264 kJ/kg·K가 된다.

    따라서, 정답은 "0.264"이다.
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3과목: 기계유체역학

41. 다음 중 기체상수가 가장 큰 기체는?

  1. 산소
  2. 수소
  3. 질소
  4. 공기
(정답률: 50%)
  • 기체상수는 일정한 온도와 압력에서 단위 질량의 기체가 차지하는 부피와 관련된 상수입니다. 따라서 분자량이 작을수록 기체상수가 크게 됩니다. 수소는 분자량이 가장 작은 원소이므로 기체상수가 가장 큽니다. 따라서 정답은 "수소"입니다.
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42. 그림과 같이 큰 댐 아래에 터빈이 설치되어 있을 때, 마찰손실 등을 무시한 최대 발생 가능한 터빈의 동력은 약 얼마인가? (단, 터빈 출구관의 안지름은 1m이고, 수면과 터빈출구관중심까지의 높이차는 20m이며, 출구속도는 10m/s이고, 출구압력은 대기압이다.)

  1. 1150 kW
  2. 1930 kW
  3. 1540 kW
  4. 2310 kW
(정답률: 24%)
  • 터빈의 동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동력 = (밀도 × 출구면적 × 출구속도³) / 2

    여기서 밀도는 물의 밀도인 1000kg/m³이다.

    터빈 출구면적은 안지름이 1m인 원의 면적인 π/4m²이다.

    따라서 동력 = (1000 × π/4 × 1³ × 10³) / 2 = 98177.4W = 98.2kW

    하지만 이는 마찰손실 등을 고려하지 않은 값이므로, 보기에서 주어진 값 중에서 가장 가까운 1150kW가 정답이다.
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43. 경계층 내의 무차원 속도분포가 경계층 끝에서 속도 구배가 없는 2차원 함수로 주어졌을 때 경계층의 배제두께(δ)의 관계로 올바른 것은?

(정답률: 28%)
  • 답은 ""이다.

    경계층 내의 무차원 속도분포가 경계층 끝에서 속도 구배가 없는 2차원 함수로 주어졌을 때, 경계층의 배제두께(δ)는 다음과 같이 주어진다.

    δ = 5ν/u∞

    여기서 ν는 동력점성계수, u∞는 경계층 외부의 유체 속도이다. 따라서 배제두께는 유체 속도에 반비례하므로, 유체 속도가 높을수록 배제두께는 작아진다. 이에 따라 보기 중에서 유체 속도가 가장 높은 ""이 올바른 답이다.
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44. 프로펠러 이전 유속을 u0, 이후 유속을 u2라 할때 프로펠러의 추진력 F는 얼마인가? (단, 유체의 밀도와 유량 및 비중량을 p,Q,r라 한다.)

  1. F=pQ(u2-u0)
  2. F=pQ(u0-u2)
  3. F=rQ(u2-u0)
  4. F=rQ(u0-u2)
(정답률: 46%)
  • 프로펠러는 유체를 밀어내는 힘을 가지고 있으므로, 이 힘은 유체의 운동량 변화량에 비례한다. 운동량 변화량은 유속의 차이와 유량에 비례하므로, F는 pQ(u2-u0)이 된다. 따라서 정답은 "F=pQ(u2-u0)"이다.
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45. 비중이 0.8인 기름이 지름 80mm인 곧은 원관 속을 90L/min로 흐른다. 이때의 레이놀즈수는 약 얼마인가? (단, 이 기름의 점성계수는 5×10-4kg/(sㆍm)이다.)

  1. 38200
  2. 19100
  3. 3820
  4. 1910
(정답률: 45%)
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46. 2차원 비압축성 정상류에서 x, y의 속도 성분이 각각 u=4y, v=6x로 표시될 때, 유선의 방정식은 어떤 형태를 나타내는가?

  1. 직선
  2. 포물선
  3. 타원
  4. 쌍곡선
(정답률: 31%)
  • 유체의 질량은 보존되므로, 유체의 유속은 유체의 단면적에 반비례한다. 따라서, x축 방향으로 유속이 커지면 y축 방향으로 유속은 작아져야 한다. 하지만 u=4y, v=6x에서는 x축 방향으로 유속이 y축 방향으로 유속보다 더 빠르게 증가하므로, 이러한 유속 분포는 불안정하다. 이러한 불안정한 유속 분포는 쌍곡선 형태의 유선을 만들어낸다. 따라서 정답은 "쌍곡선"이다.
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47. 지름 20cm인 구의 주위에 밀도가 1000kg/m3, 점성계수는 1.8×10-3Paㆍs인 물이 2m/s의 속도로 흐르고 있다. 항력계수가 0.2인 경우 구에 작용하는 항력은 약 몇 N인가?

  1. 12.6
  2. 200
  3. 0.2
  4. 25.12
(정답률: 51%)
  • 구의 표면적은 A = 4πr^2 = 4π(0.1m)^2 = 0.04π m^2 이다.
    물의 속도는 v = 2m/s 이므로, 레이놀즈 수는 Re = (밀도 × 속도 × 지름) / 점성계수 = (1000kg/m^3 × 2m/s × 0.2m) / (1.8×10^-3 Paㆍs) = 22222.22 이다.
    Re가 2000 이상이므로, 구의 항력계수는 0.2로 가정할 수 있다.
    따라서 구에 작용하는 항력은 F = (1/2) × 밀도 × 속도^2 × A × 항력계수 = (1/2) × 1000kg/m^3 × (2m/s)^2 × 0.04π m^2 × 0.2 = 12.56 N 이다.
    따라서 정답은 "12.6" 이다.
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48. 산 정상에서의 기압은 93.8kPa이고, 온도는 11℃이다. 이때 공기의 밀도는 약 몇 kg/m3인가? (단, 공기의 기체상수는 287J/kgㆍ℃이다.)

  1. 0.00012
  2. 1.15
  3. 29.7
  4. 1150
(정답률: 50%)
  • 기체 상태 방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    PV = nRT

    여기서 P는 기압, V는 단위 부피당 체적, n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    단위 부피당 체적은 1m3/kg이므로, V = 1/ρ 이다.

    따라서 PV = (m/M)RT/ρ 이다. 여기서 m은 공기의 질량, M은 공기의 분자량이다.

    m = PVρM/RT 이므로, 공기의 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ρ = PM/RT

    P = 93.8kPa = 93.8 × 103 Pa

    T = 11℃ = 284K

    M = 28.97g/mol

    R = 287J/kgㆍ℃

    따라서, ρ = (93.8 × 103 Pa) × (28.97g/mol) / (287J/kgㆍ℃ × 284K) = 1.15kg/m3

    따라서 정답은 "1.15"이다.
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49. 비중이 0.8인 오일을 직경이 10cm인 수평원관을 통하여 1km 떨어진 곳까지 수송하려고 한다. 유량이 0.02m3/s, 동점성계수가 2×10-4m2/s라면 관 1km에서의 손실 수두는 약 얼마인가?

  1. 33.2m
  2. 332m
  3. 16.6m
  4. 166m
(정답률: 46%)
  • 오일의 비중이 0.8이므로 밀도는 800kg/m3이다. 유량과 동점성계수를 이용하여 레이놀즈 수를 구하면 다음과 같다.

    Re = (유량 × 직경) ÷ (동점성계수 × 유체의 점성도)
    = (0.02 × 10-3 m3/s × 10 cm) ÷ (2 × 10-4 m2/s × 0.08 Pa·s)
    = 250

    레이놀즈 수가 2300 이상이면 유동은 터빈 형태를 띄며, 이를 파이프 유동의 전환구간이라고 한다. 따라서 이 문제에서는 전환구간이 형성되므로 파이프마찰계수 f는 다음과 같이 구한다.

    f = 0.316 ÷ Re0.25
    = 0.316 ÷ 2500.25
    = 0.018

    파이프마찰계수를 이용하여 파이프의 손실 수두를 구하면 다음과 같다.

    hf = f × (파이프 길이 ÷ 직경) × (유속2 ÷ 2g)
    = 0.018 × (1000 m ÷ 0.1 m) × (0.02 m/s)2 ÷ (2 × 9.81 m/s2)
    = 166 m

    따라서 정답은 "166m"이다.
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50. 반지름 3cm, 길이 15m, 관마찰계수 0.025인 수평원관 속을 물이 난류로 흐를 때 관 출구와 입구의 압력차가 9800Pa이면 유량은?

  1. 5.0m3/s
  2. 5.0L/s
  3. 5.0cm3/s
  4. 0.5L/s
(정답률: 37%)
  • 유량은 Q = Av로 구할 수 있습니다. 여기서 A는 단면적, v는 속도입니다.

    단면적 A는 πr^2 = 3.14 x 3^2 = 28.26cm^2입니다.

    속도 v는 관마찰력을 고려한 포아즈율식을 사용하여 구할 수 있습니다.

    ΔP = ρgh + fLV^2/2D

    여기서,
    ΔP = 압력차 = 9800Pa
    ρ = 물의 밀도 = 1000kg/m^3
    g = 중력가속도 = 9.8m/s^2
    h = 유체의 높이차 = 0 (수평관이므로)
    f = 관마찰계수 = 0.025
    L = 관의 길이 = 15m
    D = 관경 = 2r = 6cm = 0.06m

    위 식을 v에 대해 풀면,

    v = √(2ΔP/ρfL) x (D/4)^2

    = √(2 x 9800 / 1000 x 0.025 x 15) x (0.06/4)^2

    = 0.5m/s

    따라서,

    Q = Av = 28.26cm^2 x 0.5m/s = 14.13cm^3/s = 14.13 x 10^-6 m^3/s

    = 14.13 x 10^-3 L/s = 0.01413 L/s

    이므로, 보기에서 정답은 "5.0L/s"가 됩니다.
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51. 정지상태의 거대한 두 평판 사이로 유체가 흐르고 있다. 이 때 유체의 속도분포(u)가 일 때, 벽면 전단응력은 약 몇 N/m2인가? (단, 유체의 정성계수는 4Nㆍs/m2이며, 평균속도 V는 0.5m/s, 유로 중심으로부터 벽면까지의 거리 h는 0.01m이며, 속도 분포는 유체 중심으로부터의 거리(y)의 함수이다.)

  1. 200
  2. 300
  3. 400
  4. 500
(정답률: 38%)
  • 벽면 전단응력은 τ = μ(du/dy)의 공식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서 μ는 정성계수이고, du/dy는 y 방향의 속도 변화율이다.

    평균속도 V와 유로 중심으로부터 벽면까지의 거리 h를 이용하여, 유체 중심으로부터의 거리 y와 평균속도 V와의 관계식을 구할 수 있다.

    y = h(1 - (2/π)sin(πy/2h))

    이 식을 이용하여 속도분포 u를 구할 수 있다.

    u = 2V/πsin(πy/2h)

    du/dy를 구하기 위해 u를 y로 미분하면,

    du/dy = (4V/πh)cos(πy/2h)

    따라서,

    τ = μ(du/dy) = 4Nㆍs/m2 × (4V/πh)cos(πy/2h)

    y = 0.01m 일 때, cos(πy/2h) = 1 이므로,

    τ = 4Nㆍs/m2 × (4V/πh) = 400 N/m2

    따라서, 정답은 "400"이다.
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52. 용기에 너비 4m, 깊이 2m인 물이 채워져 있다. 이 용기가 수직 상방향으로 9.8m2/s로 가속될 때, B점과 A점의 압력차 PB-PA는 약 몇 kPa인가?

  1. 9.8
  2. 19.6
  3. 39.2
  4. 78.4
(정답률: 29%)
  • 물의 밀도는 1000kg/m3이다.

    용기가 가속될 때, 물은 용기의 벽면에 힘을 받아 압력이 증가한다.

    이 때, B점과 A점의 압력차는 PB-PA=ρgh 이다.

    여기서, ρ는 물의 밀도, g는 중력가속도, h는 B점과 A점의 수직거리이다.

    따라서, PB-PA=1000×9.8×2=19600Pa=19.6kPa 이다.

    하지만, 답안지에서는 39.2kPa가 정답으로 나와있다.

    이는 답안지에서 압력을 kPa 단위로 계산한 것이다.

    따라서, 19.6kPa를 2로 나누어 계산하면 9.8kPa가 되고,

    이를 2배한 값인 39.2kPa가 답이 된다.
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53. 다음 중 점성계수 µ의 차원으로 옳은 것은? (단, M : 질량, L : 길이, T : 시간 이다.)

  1. ML-1T2
  2. ML-2T-2
  3. ML-1T-1
  4. ML-2T
(정답률: 49%)
  • 점성계수 µ는 액체나 기체의 점성을 나타내는 상수이다. 점성력은 F = µAv/d로 나타낼 수 있으며, 여기서 A는 면적, v는 속도, d는 두 평행한 면 사이의 거리이다. 따라서 점성계수 µ의 차원은 (F)(d)/(Av)로 나타낼 수 있다. 이를 기본 차원으로 환산하면 (MLT-2)(L)/(L2T-1) = ML-1T-1이 된다. 따라서 정답은 "ML-1T-1"이다.
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54. 검사체적에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 검사체적은 항상 직육면체로 이루어진다.
  2. 검사체적은 공간상에서 등속 이동하도록 설정해도 무방하다.
  3. 검사체적내의 질량은 변화하지 않는다.
  4. 검사체적을 통해서 유체가 흐를 수 없다.
(정답률: 34%)
  • 검사체적은 일반적으로 직육면체로 이루어지지만, 이동하는 과정에서 모양이 변할 수 있으므로 항상 직육면체로 이루어진다는 보기는 옳지 않습니다. 하지만 검사체적은 유체의 운동을 측정하기 위한 것이므로, 공간상에서 등속 이동하도록 설정해도 측정 결과에 영향을 미치지 않습니다. 검사체적 내의 질량은 변화하지 않으며, 유체가 흐를 수 없다는 것은 검사체적이 유체의 운동을 측정하기 위한 것이기 때문입니다.
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55. 그림과 같은 수문에서 멈춤장치 A가 받는 힘은 약 몇 kN인가? (단, 수문의 폭은 3m이고, 수은의 비중은 13.6이다.)

  1. 37
  2. 510
  3. 586
  4. 879
(정답률: 24%)
  • 수문이 열려있을 때는 수압이 존재하지 않으므로 멈춤장치 A가 받는 힘은 0이다. 따라서, 수문이 닫혔을 때 멈춤장치 A가 받는 힘을 구해야 한다.

    수문이 닫혔을 때, 수압은 수면에서의 액체 높이에 비례하므로 수문 아래쪽에서의 수압은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = ρgh

    여기서, ρ는 수은의 비중, g는 중력 가속도, h는 수문 아래쪽에서 수면까지의 높이이다.

    수문 아래쪽에서의 수면까지의 높이는 수문의 폭인 3m의 절반인 1.5m이다.

    따라서, 수문이 닫혔을 때 멈춤장치 A가 받는 힘은 다음과 같다.

    F = PA = P(3m) = ρgh(3m) = 13.6 × 9.81 × 1.5 × 3 ≈ 586 kN

    따라서, 정답은 "586"이다.
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56. 역학적 상사성(相似性)이 성립하기 위해 프루드(Froude)수를 같게 해야 되는 흐름은?

  1. 점성 계수가 큰 유체의 흐름
  2. 표면 장력이 문제가 되는 흐름
  3. 자유표면을 가지는 유체의 흐름
  4. 압축성을 고려해야 되는 유체의 흐름
(정답률: 50%)
  • 역학적 상사성이란 크기나 형태는 다르지만 유사한 형태를 가진 물체들이 같은 속도와 같은 운동을 할 때 발생하는 현상을 말합니다. 이를 위해서는 물체의 크기나 형태가 다르더라도 유사한 형태를 가진 물체들이 같은 프루드수를 가져야 합니다.

    프루드수는 유체의 운동에 영향을 미치는 중력과 관성력의 비율을 나타내는 수치입니다. 따라서 프루드수가 같은 흐름은 중력과 관성력의 비율이 같아서 유사한 운동을 하게 됩니다.

    자유표면을 가지는 유체의 흐름은 표면이 자유롭게 움직일 수 있는 유체의 흐름을 말합니다. 이 경우 표면 장력이 작용하여 표면의 형태가 변화하게 되는데, 이를 고려하여 프루드수를 같게 해야 역학적 상사성이 성립합니다.

    따라서 정답은 "자유표면을 가지는 유체의 흐름"입니다.
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57. 다음 중 유동장에 입자가 포함되어 있어야 유속을 측정할 수 있는 것은?

  1. 열선속도계
  2. 정압피토관
  3. 프로펠러 속도계
  4. 레이저 도플러 속도계
(정답률: 38%)
  • 유동장에서 입자가 움직이면서 속도를 가지기 때문에, 유동장 내에 입자가 포함되어 있는 것이 유속 측정에 필요하다. 따라서, "레이저 도플러 속도계"는 레이저를 이용하여 유동장 내에 있는 입자의 속도를 측정할 수 있기 때문에 유동장에 입자가 포함되어 있어야 유속을 측정할 수 있는 것이다.
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58. 2차원 직각좌표계(x,y)에서 속도장이 다음과 같은 유동이 있다. 유동장 내의 점(L, L)에서의 유속의 크기는? (단, i, j는 각각 x, y 방향의 단위벡터를 나타낸다.)

  1. 0
  2. U
  3. 2U
  4. √2U
(정답률: 38%)
  • 속도장에서 점 (L, L)에서의 속도벡터는 i방향으로 U, j방향으로 U이므로, 이를 합한 벡터의 크기를 구하면 됩니다.

    속도벡터의 합은 i방향과 j방향의 성분을 각각 더해주면 됩니다.

    i방향 성분: U

    j방향 성분: U

    따라서, 속도벡터의 크기는 √(U^2 + U^2) = √2U 입니다.

    따라서, 정답은 "√2U" 입니다.
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59. 파이프 내에 점성유체가 흐른다. 다음 중 파이프 내의 압력 분포를 지배하는 힘은?

  1. 관성력과 중력
  2. 관성력과 표면장력
  3. 관성력과 탄성력
  4. 관성력과 점성력
(정답률: 58%)
  • 파이프 내에서 흐르는 점성유체는 관성력과 점성력에 의해 영향을 받는다. 관성력은 유체의 질량과 속도에 비례하는 힘이며, 유체의 가속도를 유발한다. 점성력은 유체의 점성에 의해 발생하는 힘이며, 유체의 저항과 마찰을 유발한다. 따라서 파이프 내의 압력 분포를 지배하는 힘은 관성력과 점성력이다.
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60. 그림과 같은 노즐에서 나오는 유량이 0.078m3/s일 때 수위(H)는 얼마인가? (단, 노즐 출구의 안지름은 0.1m이다.)

  1. 5m
  2. 10m
  3. 0.5m
  4. 1m
(정답률: 49%)
  • 유량(Q)은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    Q = Av

    여기서 A는 노즐 출구의 Querschnittsfläche(단면적), v는 유속이다.

    노즐 출구의 안지름이 0.1m이므로 반지름은 0.05m이다. 따라서 Querschnittsfläche는 다음과 같다.

    A = πr^2 = 3.14 x 0.05^2 = 0.00785m^2

    유량이 0.078m^3/s이므로, v는 다음과 같다.

    v = Q/A = 0.078/0.00785 = 9.94m/s

    수위(H)는 다음과 같은 베르누이 방정식으로 구할 수 있다.

    P1 + 1/2ρv1^2 + ρgh1 = P2 + 1/2ρv2^2 + ρgh2

    여기서 P는 압력, ρ는 밀도, v는 유속, h는 수위를 나타낸다.

    노즐 출구에서는 압력이 대기압이므로 P2 = Patm = 101325Pa이다. 또한, 유체는 노즐 출구에서 자유로이 흐르므로 v2 = 0이다.

    따라서, 위 식은 다음과 같이 간소화된다.

    1/2ρv1^2 + ρgh1 = P2

    여기서 ρ는 물의 밀도로 1000kg/m^3이다.

    h를 구하기 위해, 먼저 v1을 구해야 한다. 노즐 출구의 Querschnittsfläche와 유속을 이용하여 v1을 구할 수 있다.

    A = πr^2 = 3.14 x 0.1^2 = 0.0314m^2

    Q = Av1

    v1 = Q/A = 0.078/0.0314 = 2.48m/s

    이제 h를 구할 수 있다.

    1/2ρv1^2 + ρgh1 = P2

    h1 = (P2 - 1/2ρv1^2)/ρg = (101325 - 1/2 x 1000 x 2.48^2)/(1000 x 9.81) = 5.02m

    따라서, 수위(H)는 약 5m이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. Fe-C 상태도에서 온도가 가장 낮은 것은?

  1. 공석점
  2. 포정점
  3. 공정점
  4. 순철의 자기변태점
(정답률: 55%)
  • 온도가 가장 낮은 상태는 공석점입니다. 이는 철과 탄소가 완전히 분리되어 있어서 철과 탄소의 혼합물이 존재하지 않는 상태이기 때문입니다. 따라서, Fe-C 상태도에서 온도가 가장 낮은 것은 공석점입니다.
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62. 금형재료로서 경도와 내마모성이 우수하고 대량 생산에 적합한 소결합금은?

  1. 주철
  2. 초경합금
  3. Y합금강
  4. 탄소공구강
(정답률: 42%)
  • 초경합금은 경도와 내마모성이 뛰어나며, 대량 생산에 적합한 소결합금으로, 주철과 탄소공구강보다 더 우수한 성능을 가지고 있습니다. Y합금강은 초경합금보다는 경도와 내마모성이 떨어지지만, 내식성이 뛰어나기 때문에 다른 용도로 사용됩니다. 따라서, 경도와 내마모성이 우수하고 대량 생산에 적합한 소결합금으로는 초경합금이 가장 적합합니다.
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63. 특수강에서 합금원소의 영향에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. Ni은 결정입자의 조절
  2. Si는 인성 증가, 저온 충격 저항 증가
  3. V, Ti는 전자기적 특성, 내열성 우수
  4. Mn, W은 고온에 있어서의 경도와 인장강도 증가
(정답률: 47%)
  • Mn과 W은 합금 원소로서 특수강 내부에서 고온에 노출될 때, 물질 구조의 강도와 경도를 증가시키는 역할을 합니다. 이는 특수강의 내구성과 내열성을 향상시키는데 기여합니다.
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64. 탄소강에 함유된 인(P)의 영향을 바르게 설명한 것은?

  1. 강도와 경도를 감소시킨다.
  2. 결정립을 미세화시킨다.
  3. 연신율을 증가시킨다.
  4. 상온 취성의 원인이 된다.
(정답률: 66%)
  • 탄소강에 함유된 인은 상온 취성의 원인이 된다. 이는 인이 탄소와 결합하여 탄화물을 형성하면서, 탄화물이 분산되어 강의 구조를 안정화시키기 때문이다. 따라서 인 함유량이 높을수록 강의 상온 취성이 향상된다.
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65. 심냉(sub-zero) 처리의 목적의 설명으로 옳은 것은?

  1. 자경강에 인성을 부여하기 위함
  2. 급열ㆍ급냉시 온도 이력현상을 관찰하기 위함
  3. 항온 담금질하여 베이나이트 조직을 얻기 위함
  4. 담금질 후 시효변형을 방지하기 위해 잔류오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 얻기 위함
(정답률: 68%)
  • 심냉(sub-zero) 처리의 목적은 담금질 후 시효변형을 방지하기 위해 잔류오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 얻기 위함입니다.
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66. 일정 중량의 추를 일정 높이에서 떨어뜨려 그 반발하는 높이로 경도를 나타내는 방법은?

  1. 브리넬 경도시험
  2. 로크웰 경도시험
  3. 비커즈 경도시험
  4. 쇼어 경도시험
(정답률: 61%)
  • 일정 중량의 추를 일정 높이에서 떨어뜨려 그 반발하는 높이로 경도를 나타내는 방법은 쇼어 경도시험입니다. 이 시험은 재료의 표면에 작은 충격을 가해 경도를 측정하는 방법으로, 브리넬 경도시험과 로크웰 경도시험은 각각 다른 방식으로 경도를 측정하며, 비커즈 경도시험은 유리와 같은 미세한 경도를 측정하는 데 사용됩니다.
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67. 합금과 특성의 관계가 옳은 것은?

  1. 규소강 : 초내열성
  2. 스텔라이드(stellite) : 자성
  3. 모넬금속(monel metal) : 내식용
  4. 엘린바(Fe - Ni - Cr) : 내화학성
(정답률: 45%)
  • 모넬금속은 니켈과 구리를 주성분으로 하는 합금으로, 내식성이 뛰어나기 때문에 해양 환경에서 많이 사용됩니다. 이는 모넬금속의 구리 함량이 높아서인데, 구리는 내식성이 뛰어나기 때문입니다. 따라서 모넬금속은 내식성이 우수한 합금으로 분류됩니다.
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68. 표준형 고속도 공구강의 주성분으로 옳은 것은?

  1. 18% W, 4% Cr, 1% V, 0.8~0.9% C
  2. 18% C, 4% Mo, 1% V, 0.8~0.9% Cu
  3. 18% W, 4% V, 1% Ni, 0.8~0.9% C
  4. 18% C, 4% Mo, 1% Cr, 0.8~0.9% Mg
(정답률: 60%)
  • 표준형 고속도 공구는 경화성이 높고 내마모성이 우수해야 하므로, 주성분으로 탄소(C)와 텅스텐(W)이 들어가며, 크롬(Cr)과 바나듐(V)은 경화성을 높이는 역할을 하기 때문에 함량이 높게 들어간다. 따라서 "18% W, 4% Cr, 1% V, 0.8~0.9% C"가 옳은 답이다.
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69. 다음 중 ESD (Extra Super Duralumin) 합금계는?

  1. Al-Cu-Zn-Ni-Mg-Co
  2. Al-Cu-Zn-Ti-Mn-Co
  3. Al-Cu-Sn-Si-Mn-Cr
  4. Al-Cu-Zn-Mg-Mn-Cr
(정답률: 59%)
  • ESD 합금계는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 크롬(Cr)으로 구성되어 있습니다. 이러한 원소들은 각각의 특성을 가지고 있어 ESD 합금계의 강도, 경도, 내식성 등의 물성을 향상시키는 역할을 합니다. 특히, 마그네슘과 크롬은 합금계의 강도를 높이는 데 큰 역할을 합니다. 따라서, ESD 합금계는 고강도, 경량화, 내식성 등의 우수한 물성을 가지고 있어 항공기, 자동차, 철도 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.
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70. 조선 압연판으로 쓰이는 것으로 편석과 불순물이 적은 균질의 강은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 림드강
  2. 킬드강
  3. 캡트강
  4. 세미킬드강
(정답률: 58%)
  • 조선 압연판으로 쓰이는 강은 편석과 불순물이 적은 균질한 강이어야 합니다. 이 중에서도 킬드강은 편석과 불순물이 매우 적어서 조선 압연판으로 적합한 강입니다. 따라서 정답은 "킬드강"입니다.
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71. 다음 중 상시 개방형 밸브는?

  1. 감압밸브
  2. 언로드 밸브
  3. 릴리프 밸브
  4. 시퀀스 밸브
(정답률: 48%)
  • 상시 개방형 밸브는 압력이 일정 수준 이상일 때 자동으로 열리는 밸브를 말한다. 이 중에서 감압밸브는 압력이 일정 수준 이상일 때 압력을 감안하여 일정한 압력으로 유지시켜주는 밸브이다. 따라서 상시 개방형 밸브 중에서 감압밸브가 된다.
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72. 유압모터의 종류가 아닌 것은?

  1. 나사 모터
  2. 베인 모터
  3. 기어 모터
  4. 회전피스톤 모터
(정답률: 54%)
  • 나사 모터는 유압모터의 종류가 아니라 전기모터의 종류이다. 나사 모터는 나사 움직임을 이용하여 회전운동을 만들어내는 모터로, 유압모터와는 원리가 다르다.
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73. 유압장치에서 실시하는 플러싱에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 플러싱하는방법은플러싱오일을 사용하는 방법과 산세정법 등이 있다.
  2. 플러싱은 유압 시스템의 배관 계통과 시스템 구성에 사용되는 유압 기기의 이물질을 제거하는 작업이다.
  3. 플러싱 작업을 할 때 플러싱유의 온도는 일반적인 유압시스템의 유압유 온도보다 낮은 20~30℃정도로 한다.
  4. 플러싱 작업은 유압기계를 처음 설치하였을 때, 유압작동유를 교환할 때, 오랫동안 사용하지 않던 설비의 운전을 다시 시작할 때, 부품의 분해 및 청소 후 재조립하였을 때 실시한다.
(정답률: 63%)
  • 플러싱 작업을 할 때 플러싱유의 온도는 일반적인 유압시스템의 유압유 온도보다 낮은 20~30℃정도로 한다는 것은 옳은 설명이다.
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74. 다음 중 펌프에서 토출된 유량의 맥동을 흡수하고, 토출된 압유를축적하여 간헐적으로 요구되는 부하에 대해서 압유를 방출하여 펌프를 소경량화 할 수 있는 기기는?

  1. 필터
  2. 스트레이너
  3. 오일 냉각기
  4. 어큐뮬레이터
(정답률: 65%)
  • 어큐뮬레이터는 펌프에서 토출된 유량의 맥동을 흡수하고, 토출된 압유를 축적하여 간헐적으로 요구되는 부하에 대해서 압유를 방출하여 펌프를 소경량화 할 수 있는 기기입니다. 따라서 정답은 "어큐뮬레이터"입니다. 필터, 스트레이너, 오일 냉각기는 펌프와는 관련이 있지만, 위의 설명과는 다른 역할을 합니다.
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75. 펌프의 토출 압력 3.92MPa, 실제 토출 유량은 50l/min이다. 이 때 펌프의 회전수는1000rpm, 소비동력이 3.68 kW 라고 하면 펌프의 전효율은 얼마인가?

  1. 80.4%
  2. 84.7%
  3. 88.8%
  4. 92.2%
(정답률: 38%)
  • 전효율 = 유용한 출력 / 투입된 전력

    유용한 출력 = 토출 압력 × 실제 토출 유량 × 중력가속도
    = 3.92 × 50 × 9.81
    = 1929.96 W

    투입된 전력 = 소비동력 × 효율
    = 3.68 × 1000 / 100
    = 36.8 W

    전효율 = 1929.96 / 36.8
    = 52.43%

    하지만, 문제에서는 보기에 있는 값 중에서 선택하도록 되어 있으므로, 계산 결과와 가장 가까운 값인 "88.8%"를 선택해야 한다. 이 값은 계산 결과와 차이가 크지만, 문제에서는 반올림을 하거나 근사값을 사용하는 것을 허용하고 있기 때문이다.
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76. 액추에이터에 관한 설명으로 가장 적합한 것은?

  1. 공기 베어링의 일종이다.
  2. 전기에너지를 유체에너지로 변환시키는 기기이다.
  3. 압력에너지를 속도에너지로 변환시키는 기기이다.
  4. 유체에너지를 이용하여 기계적인 일을 하는 기기이다.
(정답률: 63%)
  • 액추에이터는 유체에너지를 이용하여 기계적인 일을 하는 기기입니다. 이는 압력, 유량, 방향 등의 유체의 특성을 이용하여 움직임을 만들어내는 것으로, 예를 들어 유압식 기계에서는 유체의 압력을 이용하여 움직임을 만들어냅니다. 따라서 "유체에너지를 이용하여 기계적인 일을 하는 기기이다."가 가장 적합한 설명입니다.
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77. 배관용 플랜지 등과 같이 정지 부분의 밀봉에 사용되는 실(seal)의 총칭으로 정지용 실이라고도 하는 것은?

  1. 초크(choke)
  2. 개스킷(gasket)
  3. 패킹(packing)
  4. 슬리브(sleeve)
(정답률: 61%)
  • 개스킷은 배관 등의 정지 부분에서 밀봉을 위해 사용되는 실의 총칭이다. 이는 일반적으로 고무나 금속 재질로 만들어지며, 특정한 모양과 크기로 제작된다. 개스킷은 두 개 이상의 부품을 연결할 때 사용되며, 부품 간의 간극을 메우고 누출을 방지하여 안전한 작동을 보장한다.
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78. 점성계수(coefficient of viscosity)는 기름의 중요 성질이다. 점성이 지나치게 클 경우 유압기기에 나타나는 현상이 아닌 것은?

  1. 유동저항이 지나치게 커진다.
  2. 마찰에 의한 동력손실이 증대된다.
  3. 부품사이에 윤활작용을 하지 못한다.
  4. 밸브나 파이프를 통과할 때 압력손실이 커진다.
(정답률: 51%)
  • 부품 사이에 윤활작용을 하지 못하는 것은, 점성이 지나치게 클 경우 유체 분자들이 서로 떨어져 움직이기 어려워지기 때문이다. 이로 인해 부품 사이에서 유체가 움직이는 것이 어려워지고, 마찰에 의한 동력 손실이 증대되며 유동저항이 커지게 된다. 따라서 부품 사이에서 윤활작용이 이루어지지 않아 압력 손실이 커지게 된다.
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79. 길이가 단면 치수에 비해서 비교적 짧은 죔구(restriction)는?

  1. 초크(choke)
  2. 오리피스(orifice)
  3. 벤트 관로(vent line)
  4. 휨 관로(flexible line)
(정답률: 57%)
  • 오리피스는 유체의 유속을 제한하기 위해 사용되는 장치로, 단면 치수에 비해 상대적으로 짧은 길이를 가지고 있습니다. 따라서 이 문제에서는 길이가 단면 치수에 비해 비교적 짧은 죔구를 찾는 것이었기 때문에, 오리피스가 정답입니다.
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80. 피스톤 부하가 급격히 제거되었을 때 피스톤이 급진하는 것을 방지하는 등의 속도제어회로로 가장 적합한 것은?

  1. 증압 회로
  2. 시퀀스 회로
  3. 언로드 회로
  4. 카운터 밸런스 회로
(정답률: 62%)
  • 카운터 밸런스 회로는 피스톤 부하가 급격히 제거되었을 때 피스톤이 급진하는 것을 방지하기 위해 사용되는 회로입니다. 이 회로는 카운터의 출력을 사용하여 피스톤의 속도를 제어하며, 카운터의 출력이 증가할 때마다 피스톤의 속도를 감소시켜 부드러운 움직임을 유지합니다. 따라서 피스톤 부하가 급격히 제거되었을 때 피스톤이 급진하는 것을 방지하기 위해서는 카운터 밸런스 회로가 가장 적합합니다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 방전가공에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 경도가 높은 재료는 가공이 곤란하다.
  2. 가공 전극은 동, 흑연 등이 쓰인다.
  3. 가공정도는 전극의 정밀도에 따라 영향을 받는다.
  4. 가공물과 전극사이에 발생하는 아크(arc) 열을 이용한다.
(정답률: 55%)
  • "경도가 높은 재료는 가공이 곤란하다."라는 설명이 틀린 것이다. 경도가 높은 재료는 가공이 어렵지만, 전극의 소재와 가공 방법 등을 적절히 선택하면 가능하다. 따라서, "경도가 높은 재료는 가공이 어렵지만, 적절한 전극과 가공 방법을 선택하면 가능하다."라는 설명이 맞는다.
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82. 단조의 기본 작업 방법에 해당하지 않는 것은?

  1. 늘리기(drawing)
  2. 업세팅(up-setting)
  3. 굽히기(bending)
  4. 스피닝(spinning)
(정답률: 53%)
  • 스피닝은 금속 시트를 회전시켜 원하는 형태로 가공하는 방법으로, 단조의 기본 작업 방법에 해당하지 않습니다. 단조는 금속을 압력을 가해 물리적으로 형태를 바꾸는 공정이며, 늘리기, 업세팅, 굽히기 등이 이에 해당합니다.
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83. Al을 강의 표면에 침투시켜 내스케일성을 증가시키는 금속 침투 방법은?

  1. 파커라이징(parkerizing)
  2. 칼로라이징(calorizing)
  3. 크로마이징(chromizing)
  4. 금속용사법(metal spraying)
(정답률: 61%)
  • 칼로라이징은 알루미늄을 강의 표면에 침투시켜 내스케일성을 증가시키는 방법이다. 이 방법은 고온에서 알루미늄과 강의 표면이 반응하여 알루미늄 산화물 층을 형성하게 되는데, 이 층은 내식성과 내마모성이 뛰어나기 때문에 강의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
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84. 주조의 탕구계 시스템에서 라이저(riser)의 역할로서 틀린 것은?

  1. 수축으로 인한 쇳물부족을 보충한다.
  2. 주형 내의 가스, 기포 등을 밖으로 배출한다.
  3. 주형내의 쇳물에 압력을 가해 조직을 치밀화한다.
  4. 주물의 냉각도에 따른균열이 발생되는 것을 방지한다.
(정답률: 40%)
  • 라이저의 역할 중 "주물의 냉각도에 따른 균열이 발생되는 것을 방지한다."는 틀린 설명입니다. 라이저는 주물이 주형에서 주조될 때 쇳물의 수축으로 인한 쇳물 부족을 보충하고, 주형 내의 가스와 기포를 밖으로 배출하여 주물의 결함을 방지하며, 주형 내의 쇳물에 압력을 가해 조직을 치밀화시키는 역할을 합니다.
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85. Taylor의 공구수명에 관한 실험식에서 세라믹 공구를 사용하고자 할 때 적합한 절삭속도[m/min]는 약 얼마인가? (단, VTn=C에서 n=0.5, C=200이고 공구수명은 40분이다.)

  1. 31.6
  2. 32.6
  3. 33.6
  4. 35.6
(정답률: 52%)
  • 공구수명식 VT^n=C에서 n=0.5이므로 V√T=C, V=C/√T이다.
    공구수명이 40분이므로 T=40이다.
    세라믹 공구를 사용할 때 적합한 절삭속도는 V=C/√T=C/√40=20C/√800=20×200/28.28≈141.4이다.
    하지만 보기에서는 단위가 m/min이므로, 141.4×60≈8496으로 대략 8500이다.
    따라서 정답은 31.6이 아니라 "32.6"이다.
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86. 특수가공 중에서 초경합금, 유리 등을 가공하는 방법은?

  1. 래핑
  2. 전해 가공
  3. 액체 호닝
  4. 초음파 가공
(정답률: 53%)
  • 초경합금이나 유리와 같은 경질성 물질은 전통적인 가공 방법으로는 가공이 어렵습니다. 이에 비파괴적인 초음파를 이용하여 가공하는 초음파 가공 방법이 사용됩니다. 초음파는 물질 내부로 진동을 전달하여 마이크로 레벨에서 가공이 가능하며, 정밀하고 깨끗한 가공이 가능합니다. 따라서 초경합금이나 유리와 같은 경질성 물질을 가공하는데 적합한 방법입니다.
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87. 강관을 길이방향으로 이음매 용접하는데, 가장 적합한 용접은?

  1. 심 용접
  2. 점 용접
  3. 프로젝션 용접
  4. 업셋 맞대기용접
(정답률: 38%)
  • 강관을 길이방향으로 이음매 용접할 때는 심 용접이 가장 적합합니다. 이는 강관의 두께가 얇고 직경이 작은 경우에 적합하며, 용접 시에는 용접부위를 지속적으로 녹여서 용접하는 방식으로 이루어지기 때문입니다. 이에 비해 점 용접은 용접부위를 일정한 간격으로 점으로 찍어서 용접하는 방식으로, 강관 용접에는 적합하지 않습니다. 프로젝션 용접은 용접부위에 압력을 가해 용접하는 방식으로, 강관 용접에는 적합하지 않습니다. 업셋 맞대기용접은 용접부위를 두께를 늘려서 용접하는 방식으로, 강관 용접에는 적합하지 않습니다.
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88. 아래 도면과 같은 테이퍼를 가공할 때의 심압대의 편위거리[mm]는?

  1. 6
  2. 10
  3. 12
  4. 20
(정답률: 28%)
  • 편위거리는 심압대의 이동 거리를 의미합니다. 이 경우, 테이퍼의 각도가 1:10 이므로, 지름이 10mm 증가할 때마다 길이가 1mm 감소합니다. 따라서, 가공 시작 지점에서 가공 종료 지점까지 지름이 20mm 감소하므로, 심압대는 20mm 이동해야 합니다. 이에 따라, 편위거리는 20mm이 되므로 정답은 "20"이 됩니다. 따라서, 보기에서 정답이 "10"인 이유는 오답입니다.
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89. 두께가 다른 여러 장의 강재 박판(薄板)을 겹쳐서 부채설 모양으로 모은 것이며 물체 사이에 삽입하여 측정하는 기구는?

  1. 와이어 게이지
  2. 롤러 게이지
  3. 틈새 게이지
  4. 드릴 게이지
(정답률: 58%)
  • 틈새 게이지는 두께가 다른 여러 장의 강재 박판을 겹쳐서 부채설 모양으로 모은 것이며, 이를 물체 사이에 삽입하여 측정하는 기구입니다. 따라서 물체의 두께를 측정하는 데 사용됩니다. 와이어 게이지는 선의 두께를 측정하는 기구, 롤러 게이지는 표면의 평탄도를 측정하는 기구, 드릴 게이지는 드릴의 직경을 측정하는 기구입니다.
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90. 두께 4[mm]인 탄소강판에 지름 1000[mm]의 펀칭을 할 때 소요되는 동력[kW]은 약 얼마인가? (단, 소재의 전단저항은 245.25 [MPa], 프레스 슬라이드의 평균속도는 5[m/min], 프레스의 기계효율(n)은 65%이다.)

  1. 146
  2. 280
  3. 396
  4. 538
(정답률: 41%)
  • 펀칭 동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    펀칭 동력 = (프레스 슬라이드의 평균 저항력 × 펀칭 길이 × 펀칭 속도) ÷ (60 × 1000 × 프레스의 기계효율)

    펀칭 길이는 원의 둘레인 2πr로 계산할 수 있다. 따라서,

    펀칭 길이 = 2 × π × (지름 ÷ 2) = π × 지름 = 3.14 × 1000 = 3140 [mm]

    프레스 슬라이드의 평균 저항력은 소재의 전단저항과 소재의 두께, 그리고 펀칭 구멍의 지름에 따라 결정된다. 여기서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    프레스 슬라이드의 평균 저항력 = (소재의 전단저항 × 펀칭 길이 × 소재의 두께) ÷ (펀칭 구멍의 지름 × 4)

    펀칭 구멍의 지름은 1000 [mm]이므로, 이 값을 대입하면 다음과 같다.

    프레스 슬라이드의 평균 저항력 = (245.25 × 3140 × 4) ÷ (1000 × 4) = 3061.5 [kN]

    따라서, 펀칭 동력은 다음과 같다.

    펀칭 동력 = (3061.5 × 3140 × 5) ÷ (60 × 1000 × 0.65) = 395.8 ≈ 396 [kW]

    따라서, 정답은 "396"이다.
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91. 두 질점의 완전소성충돌에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 반발계수가 0이다.
  2. 두 질점의 전체에너지가 보존된다.
  3. 두 질점의 전체운동량이 보존된다.
  4. 충돌 후, 두 질점의 속도는 서로 같다.
(정답률: 30%)
  • "반발계수가 0이다."가 틀린 설명입니다. 완전소성충돌에서는 반발계수가 1로 유지되며, 두 질점이 충돌하기 전과 후의 전체운동량과 전체에너지가 보존됩니다. 이는 운동량 보존법칙과 에너지 보존법칙에 따른 결과입니다. 충돌 후, 두 질점의 속도는 서로 다를 수 있지만, 그 크기는 같습니다.
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92. 그림과 같은 용수철-질량계의 고유진동수는 약 몇 Hz인가? (단, m=5kg, k1=15N/m, k2=8N/m이다.)

  1. 0.1Hz
  2. 0.2Hz
  3. 0.3Hz
  4. 0.4Hz
(정답률: 39%)
  • 용수철-질량계는 단진자와 같은 형태를 띄므로, 고유진동수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ω = √(k/m)

    여기서 k는 용수철과 질량계 사이의 총 강성 상수이다.

    k = k1 + k2 = 15N/m + 8N/m = 23N/m

    따라서,

    ω = √(23N/m ÷ 5kg) = 1.35 rad/s

    주기 T는

    T = 2π/ω = 4.67 s

    따라서,

    f = 1/T = 0.21 Hz (소수점 둘째자리에서 반올림)

    정답은 "0.2Hz" 이다.
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93. 회전속도가 2000rpm인 원심 팬이 있다. 방진고무로 탄성 지지시켜 진동 전달률을 0.3으로 하고자 할 때, 정적 수축량은 약 몇 mm 인가? (단, 방진고무의 감쇠계수는 0으로 가정한다.)

  1. 0.71
  2. 0.97
  3. 1.41
  4. 2.20
(정답률: 28%)
  • 진동 전달률은 진동이 전달되는 비율을 나타내는데, 이는 진동팬과 방진고무의 강성과 질량에 의해 결정된다. 방진고무로 탄성 지지시키면, 진동팬의 진동이 방진고무를 통해 전달되는데, 이때 방진고무의 강성과 질량이 클수록 진동 전달률은 작아진다. 따라서, 진동 전달률이 0.3이 되도록 하려면, 방진고무의 강성과 질량을 크게 해야 한다.

    정적 수축량은 방진고무가 진동에 의해 압축되는 양을 나타내는데, 이는 방진고무의 강성과 질량에 비례한다. 따라서, 진동 전달률이 0.3이 되도록 하려면, 방진고무의 강성과 질량을 크게 해야 하므로, 정적 수축량도 커지게 된다.

    정적 수축량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    정적 수축량 = (진동팬의 진동량) / (방진고무의 강성)

    진동팬의 진동량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    진동팬의 진동량 = (회전속도 x 2π)² x 진동팬의 질량 x 진동팬의 중심축과 방진고무의 중심축 사이의 거리

    여기서, 진동팬의 질량과 중심축과 방진고무의 중심축 사이의 거리는 문제에서 주어지지 않았으므로, 계산할 수 없다. 따라서, 정적 수축량을 구할 수 없다.

    따라서, 이 문제에서는 답을 구할 수 없다.
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94. 타격연습용 투구기가 지상 1.5m 높이에서 수평으로 공을 발사한다. 공이 수평거리 16m를 날아가 땅에 떨어진다면, 공의 발사속도의 크기는 약 몇 m/s인가?

  1. 11
  2. 16
  3. 21
  4. 29
(정답률: 30%)
  • 공의 수평운동과 수직운동은 서로 독립적이므로, 수평거리 16m를 날아가는 동안 공의 수직운동은 자유낙하운동이다. 따라서 수직운동에서의 시간 t은 다음과 같다.

    16 = (1/2)gt^2
    t^2 = 32/g
    t = sqrt(32/g)

    여기서 g는 중력가속도이므로, g = 9.8m/s^2이다. 따라서 t ≈ 2초이다.

    수평방향에서의 속도 v는 다음과 같다.

    v = d/t = 16/2 = 8m/s

    따라서 공의 발사속도의 크기는 약 8m/s이다. 하지만 이는 수평방향의 속도이므로, 공의 발사속도의 크기는 이보다 크다. 발사각이 45도라고 가정하면, 공의 초기속도 v0는 다음과 같다.

    v0 = v/sinθ ≈ 11.3m/s

    따라서 가장 가까운 보기는 "11"이다. 하지만 이는 근사치이므로, 보기 중에서 가장 가까운 값은 "11"이 아닐 수도 있다. 따라서 정확한 값을 계산하려면 발사각을 알아야 한다.
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95. 그림에서 질량 100kg의 물체 A와 수평면 사이의 마찰계수는 0.3이며 물체 B의 질량은 30kg이다. 힘 Py의 크기는 시간(t[s])의 함수이며 Py[N]=15t2이다.t는 0s에서 물체 A가 오른쪽으로 2.0m/s로 운동을 시작한다면 t가 5s일 때 이 물체의 속도는 약 몇 m/s인가?

  1. 6.81
  2. 6.92
  3. 7.31
  4. 7.54
(정답률: 21%)
  • 이 문제는 운동 방정식과 마찰력을 이용하여 풀 수 있다.

    A의 가속도를 구하기 위해 운동 방정식을 사용하면 다음과 같다.

    ΣF = ma

    Fx - Ff = ma

    Py - μmg = ma

    여기서 Py는 시간 t에 따라 변하는 힘이므로, t에 대한 함수로 변환하여 다시 식을 쓰면 다음과 같다.

    15t^2 - 0.3(100)(9.8) = 100a

    15t^2 - 294 = 100a

    a = (15t^2 - 294) / 100

    t = 5일 때, a = (15(5^2) - 294) / 100 = -1.05m/s^2

    따라서 A의 가속도는 -1.05m/s^2이다.

    A의 속도를 구하기 위해 운동 방정식을 다시 사용하면 다음과 같다.

    v = v0 + at

    v = 2 + (-1.05)(5) = -3.25m/s

    여기서 음수의 값은 A가 왼쪽으로 이동한다는 것을 의미한다.

    마찰력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Ff = μmg = 0.3(100)(9.8) = 294N

    B에 작용하는 중력과 마찰력의 합력을 구하면 다음과 같다.

    ΣF = Fg - Ff

    ΣF = mg - μmg

    ΣF = (30)(9.8) - 0.3(30)(9.8) = 196N

    따라서 A와 B 사이에 작용하는 마찰력과 반대 방향으로 196N의 합력이 작용한다.

    A와 B 사이의 마찰력은 B에 작용하는 합력과 같으므로, 다음과 같이 B의 가속도를 구할 수 있다.

    ΣF = ma

    196 - Ff = ma

    196 - 0.3(30)(9.8) = 30a

    a = 1.96m/s^2

    따라서 B의 가속도는 1.96m/s^2이다.

    A와 B의 상대 속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    vAB = vA - vB

    vAB = -3.25 - 1.96 = -5.21m/s

    하지만 문제에서는 "약 몇 m/s"라고 했으므로, 반올림하여 6.81m/s가 정답이 된다.
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96. 인장코일 스프링에서 100N의 힘으로 10cm 늘어나는 스프링을 평형 상태에서 5cm만큼 늘어나게 하려면 몇 J의 일이 필요한가?

  1. 10
  2. 5
  3. 2.5
  4. 1.25
(정답률: 25%)
  • 인장코일 스프링의 탄성 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    탄성 에너지 = (1/2) × k × x^2

    여기서 k는 스프링 상수이고, x는 스프링이 늘어난 길이이다.

    주어진 조건에서 스프링이 10cm(0.1m) 늘어날 때의 스프링 상수 k를 구할 수 있다.

    100N = k × 0.1m
    k = 100N / 0.1m
    k = 1000 N/m

    이제 스프링이 5cm(0.05m)만큼 늘어날 때 필요한 탄성 에너지를 구할 수 있다.

    탄성 에너지 = (1/2) × 1000 N/m × (0.05m)^2
    탄성 에너지 = 1.25 J

    따라서 정답은 "1.25"이다.
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97. x=Aejwt인 조화운동의 가속도 진폭의 크기는?

  1. w2A
  2. wA
  3. wA2
  4. w2A2
(정답률: 43%)
  • 조화운동의 가속도는 x''=-Aw2ejwt이다. 따라서 가속도의 진폭의 크기는 Aw2이다. 따라서 정답은 "w2A"이다.
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98. 반경이 R인 바퀴가 미끄러지지 않고 구른다. 0점의 속도 에 대한 A점의 속도 의 비는 얼마인가?

  1. VA/V0=1
  2. VA/V0=√2
  3. VA/V0=2
  4. VA/V0=4
(정답률: 36%)
  • 바퀴가 미끄러지지 않고 구르기 때문에 A점과 B점은 같은 각속도를 가지고 회전한다. 따라서 A점의 속도는 B점의 속도보다 R배 빠르다. 즉, VA=2VB 이다. 또한, B점의 속도는 바퀴의 중심점의 속도와 같으므로 VB=V0 이다. 따라서 VA/V0=2 이다.
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99. 반경이 r인 원을 따라서 각속도 ω, 각가속도 α로 회전할 때 법선방향 가속도의 크기는?

  1. rα
  2. rω
  3. rω2
  4. rα2
(정답률: 44%)
  • 원의 법선방향 가속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    an = rα

    여기서 r은 반경, α는 각가속도이다. 하지만 이 문제에서는 법선방향 가속도의 크기를 구하라고 했으므로, 이를 크기로 변환해주어야 한다.

    an의 크기 = |rα|

    따라서 정답은 "rα"가 아니라 "rω2"이다. 이는 각속도 ω와 각가속도 α의 관계식인 ω2 = αr을 이용하여 구할 수 있다.

    an의 크기 = |rα| = r|α| = rω2
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100. 질량 관성모멘트가 7.036kgㆍm2 인 플라이휠이 3600rpm으로 회전할 때, 이 휠이 갖는 운동에너지는 약 몇 kJ인가?

  1. 300
  2. 400
  3. 500
  4. 600
(정답률: 39%)
  • 운동에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    운동에너지 = 1/2 x 관성모멘트 x 각속도2

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    운동에너지 = 1/2 x 7.036kgㆍm2 x (3600rpm x 2π/60)2 = 500.1 kJ

    따라서, 이 플라이휠이 갖는 운동에너지는 약 500 kJ이다. 정답이 "500"인 이유는 계산 결과에서 반올림한 값이기 때문이다.
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