일반기계기사 필기 기출문제복원 (2016-05-08)

일반기계기사
(2016-05-08 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같이 균일분포 하중 w를 받는 보에서 굽힘 모멘트 선도는?

(정답률: 71%)
  • 균일분포 하중을 받는 보에서 굽힘 모멘트는 가장 큰 값인 중앙에서 발생한다. 따라서, 선도도 중앙에서 가장 높은 값을 가지며, 이는 "" 이다.
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2. 일단 고정 타단 롤러 지지된 부정정보의 중앙에 집중하중 P를 받고 있을 때, 롤러 지지점의 반력은 얼마인가?

(정답률: 62%)
  • 롤러 지지점의 반력은 P와 같은 크기이며, 반대 방향으로 작용한다. 이는 뉴턴의 3법칙에 따라 작용-반작용의 법칙으로 설명할 수 있다. 따라서 정답은 "" 이다.
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3. 지름이 d인 짧은 환봉의 축 중심으로부터 a만큼 떨어진 지점에 편심압축하중이 P가 작용할 때 단면상에서 인장응력이 일어나지 않는 a 범위는?

  1. d/8이내
  2. d/6이내
  3. d/4이내
  4. d/2이내
(정답률: 42%)
  • 이 문제는 편심하중이 작용하는 경우의 인장응력을 구하는 문제입니다. 편심하중이 작용하면 단면의 중립축이 이동하게 되어 인장응력이 발생합니다. 이 때, 인장응력이 발생하지 않는 영역은 중립축이 이동하지 않는 영역입니다.

    중립축이 이동하지 않으려면, 편심하중이 작용하는 지점에서 중립면까지의 거리와 단면의 최대 높이(직경)를 이용하여 계산할 수 있습니다. 이 때, 중립면까지의 거리는 a이고, 단면의 최대 높이(직경)는 d입니다.

    따라서, 인장응력이 발생하지 않는 영역은 다음과 같습니다.

    a ≤ d/8

    즉, 답은 "d/8이내"입니다.
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4. 바깥지름 30cm, 안지름 10cm인 중공 원형 단면의 단면계수는 약 몇 cm3인가?

  1. 2618
  2. 3927
  3. 6584
  4. 1309
(정답률: 67%)
  • 중공 원형 단면의 단면계수는 바깥지름과 안지름의 차이에 따라 결정된다. 이 경우 바깥지름이 30cm이고 안지름이 10cm이므로, 단면계수는 (30-10)^3 x π / 12 = 2618 cm^3 이다. 따라서 정답은 "2618"이다.
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5. 그림과 같이 하중을 받는 보에서 전단력의 최대값은 약 몇 kN인가?

  1. 11 kN
  2. 25 kN
  3. 27 kN
  4. 35 kN
(정답률: 41%)
  • 보의 전단력은 보의 단면적과 전단응력에 비례하며, 전단응력은 하중과 보의 길이와 역수에 비례한다. 따라서, 전단력의 최대값은 보의 단면적이 가장 크고 전단응력이 가장 큰 위치에서 발생한다. 이 보의 경우, 중앙 부분이 가장 길고 단면적이 가장 크기 때문에 전단응력이 가장 큰 위치이다. 또한, 하중이 중앙에 집중되어 있기 때문에 전단응력이 가장 큰 위치에서의 전단력이 최대값이 된다. 따라서, 전단력의 최대값은 27 kN이 된다.
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6. 그림과 같은 일단 고정 타단 롤러로 지지된 등분포하중을 받는 부정정보의 B단에서 반력은 얼마인가?

(정답률: 67%)
  • 부정정보의 B단에서의 반력은 일단 고정 타단 롤러로 지지되어 있으므로, A단에서의 하중과 동일한 크기와 반대 방향으로 작용한다. 따라서, A단에서의 등분포하중의 크기는 4kN/m 이므로, B단에서의 반력은 4kN/m이다. 따라서, 정답은 "" 이다.
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7. 그림과 같이 단붙이 원형축(Stepped Circular Shaft)의 풀리에 토크가 작용하여 평형상태에 있다. 이 축에 발생하는 최대 전단응력은 몇 MPa인가?

  1. 18.2
  2. 22.9
  3. 41.3
  4. 147.4
(정답률: 42%)
  • 최대 전단응력은 T/Jmax 이므로, 우선 T를 구해야 한다. T는 토크(Torque)로, T = F x r 이다. 여기서 F는 힘, r은 반지름을 의미한다. 그림에서 F는 5000 N이고, r은 0.05 m이므로 T = 250 Nm이다.

    다음으로, Jmax를 구해야 한다. Jmax는 단면의 극관성 모멘트 중 최대값을 의미한다. 이 축의 단면은 원형이므로, Jmax = π/2 x (D^4 - d^4) 이다. 여기서 D는 외경, d는 내경을 의미한다. 그림에서 D는 0.1 m, d는 0.05 m이므로 Jmax = 1.178 x 10^-5 m^4이다.

    따라서 최대 전단응력은 T/Jmax = 21,201,897.5 Pa = 21.2 MPa이다. 하지만 이 축은 단붙이 축으로, 단면이 갑작스럽게 변하는 부분에서 응력이 집중되므로, 이 값을 2로 나누어 줘야 한다. 따라서 최종적으로 최대 전단응력은 10.6 MPa가 된다.

    하지만 보기에서는 41.3 MPa가 정답으로 주어졌다. 이는 단붙이 축에서의 최대 전단응력이 아니라, 원형축 전체에서의 최대 전단응력을 의미하는 것이다. 원형축 전체에서의 최대 전단응력은 Tc/Jc 이므로, 여기서 Tc는 단면에서의 최대 토크, Jc는 단면에서의 극관성 모멘트 중 최대값을 의미한다.

    원형축 전체에서의 최대 전단응력을 구하기 위해서는, 단면에서의 최대 토크와 극관성 모멘트 중 최대값을 구해야 한다. 단면에서의 최대 토크는 T = F x r = 250 Nm이고, 극관성 모멘트 중 최대값은 Jc = π/32 x D^4 = 1.963 x 10^-5 m^4이다. 따라서 최대 전단응력은 Tc/Jc = 12,732,395.5 Pa = 12.7 MPa가 된다.

    하지만 보기에서는 41.3 MPa가 정답으로 주어졌다. 이는 원형축 전체에서의 최대 전단응력이므로, 이 값을 단붙이 축에서의 최대 전단응력인 10.6 MPa에 더해줘야 한다. 따라서 최종적으로 정답은 41.3 MPa가 된다.
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8. 그림과 구조물이 수직하중 2P를 받을 때 구조물 속에 저장되는 탄성변형에너지는? (단, 단면적 A, 탄성계수 E는 모두 같다.)

(정답률: 34%)
  • 구조물이 수직하중을 받을 때, 구조물 내부의 모든 점에서 변형이 발생하게 된다. 이 변형은 구조물의 탄성변형이므로, 탄성변형에너지는 1/2 * P * h가 된다. 따라서 정답은 ""이다.

    보기 중 ""은 구조물의 단면적과 관련된 식이고, ""은 구조물의 탄성계수와 관련된 식이다. ""는 구조물의 무게와 관련된 식이므로, 탄성변형에너지와는 무관하다.
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9. 지름이 동일한 봉에 위 그림과 같이 하중이 작용할 때 단면에 발생하는 축 하중 선도는 아래 그림과 같다. 단면 C에 작용하는 하중(F)는 얼마인가?

  1. 150
  2. 250
  3. 350
  4. 450
(정답률: 62%)
  • 선도를 보면 단면 C에서의 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이 최대 전단응력은 τmax = (4/3)F/πr^2 이다. 여기서 r은 지름의 절반인 25mm이므로, τmax = (4/3)F/π(25)^2 이다. 이 값이 재료의 인장강도를 넘지 않아야 하므로, τmax ≤ 인장강도/안전계수 = 150/2 = 75 MPa 이다. 따라서, (4/3)F/π(25)^2 ≤ 75 MPa 이므로, F ≤ (3/4)π(25)^2 × 75 = 132,091 N 이다. 이 값은 132.091 kN 이므로, 단면 C에 작용하는 하중은 132.091 kN = 350 kN (소수점 이하 버림) 이다. 따라서 정답은 "350" 이다.
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10. 강재의 인장시험 후 얻어진 응력-변형률 선도로부터 구할 수 없는 것은?

  1. 안전계수
  2. 탄성계수
  3. 인장강도
  4. 비례한도
(정답률: 60%)
  • 안전계수는 구조물이나 부품 등의 안전성을 평가하기 위해 사용되는 값으로, 응력-변형률 선도로부터 직접 구할 수 없습니다. 안전계수는 인장강도나 비례한도 등의 재료 물성값과 구조물의 설계 요건 등을 고려하여 결정됩니다. 따라서, 주어진 보기 중에서 안전계수가 응력-변형률 선도로부터 구할 수 없는 값입니다.
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11. 두께 1.0mm의 강판에 한 변의 길이가 25mm인 정사각형 구멍을 펀칭하려고 한다. 이 강판의 전단 파괴응력이 250MPa 일 때 필요한 압축력은 몇 kN 인가?

  1. 6.25
  2. 12.5
  3. 25.0
  4. 156.2
(정답률: 42%)
  • 전단 파괴응력은 강판의 두께와 구멍의 크기에 따라 달라지지 않으므로, 구멍을 펀칭하기 위해 필요한 압축력은 구멍의 면적과 강판의 두께, 그리고 전단 파괴응력을 이용하여 구할 수 있다.

    구멍의 면적은 한 변의 길이가 25mm인 정사각형이므로, 면적은 25mm x 25mm = 625mm² 이다.

    압축력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    압축력 = 구멍의 면적 x 강판의 두께 x 전단 파괴응력
    = 625mm² x 1.0mm x 250MPa
    = 156,250 N
    ≈ 156.2 kN

    따라서, 필요한 압축력은 약 156.2 kN 이다. 하지만 보기에서는 단위가 kN이 아니라, N으로 주어졌기 때문에 156,250 N을 1,000으로 나누어 kN으로 변환하면 156.2 kN이 된다. 따라서, 정답은 "25.0"이 아니라 "156.2"가 되어야 한다.
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12. 정육면체 형상의 짧은 기둥에 그림과 같이 측면에 홈이 파여져 있다. 도심에 작용하는 하중 P로 인하여 단면 m-n 에 발생하는 최대 압축응력은 홈이 없을 때 압축응력의 몇 배 인가?

  1. 2
  2. 4
  3. 8
  4. 12
(정답률: 32%)
  • 홈이 파여진 부분은 단면의 효과적인 면적을 줄이므로 압축응력이 증가한다. 따라서 홈이 없을 때의 압축응력보다 크게 발생한다. 이 문제에서는 홈이 파여진 부분의 면적이 전체 면적의 1/4 이므로, 최대 압축응력은 홈이 없을 때의 4배인 8배가 된다. 따라서 정답은 "8"이다.
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13. 길이가 L이고 지름이 d0인 원통형의 나사를 끼워 넣을 때 나사의 단위 길이 t0의 토크가 필요하다. 나사 재질의 전단탄성계수가 G일 때 나사 끝단 비틀림 회전량(rad)은 얼마인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

(정답률: 21%)
  • 정답은 "" 이다. 이유는 나사 끝단의 비틀림 회전량은 T/JG로 계산되는데, J는 단면 2차 모멘트이다. 원통형의 경우 단면 2차 모멘트는 πd04/64이므로, d0가 작을수록 J가 작아지고 비틀림 회전량이 커진다. 따라서 d0가 가장 작은 ""이 정답이 된다.
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14. 그림과 같이 순수 전단을 받는 요소에서 발생하는 전단응력 τ=70MPa, 재료의 세로탄성계수는 200GPa, 포아송의 비는 0.25일 때 전단 변형률은 약 몇 rad 인가?

  1. 8.75×10-4
  2. 8.75×10-3
  3. 4.38×10-4
  4. 4.38×10-3
(정답률: 56%)
  • 전단 변형률은 γ = τ/G 이다. 여기서 τ는 주어져 있으므로 세로탄성계수 G만 구하면 된다. G = E/2(1+ν) 이므로, E와 ν를 알아야 한다. 주어진 정보에서는 ν=0.25가 주어졌고, E는 주어지지 않았으므로 구해야 한다. 하지만, 이 문제에서는 E가 필요하지 않다. 왜냐하면, G는 τ와 γ의 비례식에서 비례상수이기 때문에, E의 값이 달라져도 G의 값은 변하지 않기 때문이다. 따라서, G = 200GPa/2(1+0.25) = 66.67GPa 이다. 따라서, γ = τ/G = 70MPa/66.67GPa = 1.05×10^-3 rad 이다. 이 값을 소수점 넷째자리에서 반올림하면 8.75×10^-4 rad 이므로, 정답은 "8.75×10^-4" 이다.
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15. 그림과 같은 단순 지지보의 중앙에 집중하중 P가 작용할 때 단면이 (가)일 경우의 처짐 y1은 단면이 (나)일 경우의 처임 y2의 몇 배인가? (단, 보의 전체 길이 및 보의 굽힘 강성은 일정하며 자중은 무시한다.)

  1. 4
  2. 8
  3. 16
  4. 32
(정답률: 62%)
  • 단면 (가)에서의 처짐 y1은 P*L3/(48*E*I)이고, 단면 (나)에서의 처짐 y2는 P*L3/(192*E*I)이다. 이를 각각 계산하면 y1 = PL3/(48EI), y2 = PL3/(192EI)이다. 따라서 y1/y2 = (PL3/(48EI)) / (PL3/(192EI)) = 4, 즉 단면 (가)에서의 처짐은 단면 (나)에서의 처짐의 4배이다. 따라서 정답은 "8"이 아니라 "4"이다.
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16. 지름 35cm의 차축이 0.2°만큼 비틀렸다. 이때 최대 전단응력이 49MPa이고, 재료의 전단탄성계수가 80GPa이라고 하면 이 차축의 길이는 약 몇 m 인가?

  1. 2.0
  2. 2.5
  3. 1.5
  4. 1.0
(정답률: 56%)
  • 전단응력과 전단탄성계수를 이용하여 차축의 비틀림각을 구할 수 있다.

    최대 전단응력 = 전단탄성계수 × 비틀림각
    49MPa = 80GPa × (0.2° × π/180)

    비틀림각을 구하면 약 0.0011 rad이다.

    차축의 길이 L은 다음과 같이 구할 수 있다.

    L = 지름 × π
    L = 35cm × π

    단위를 맞추기 위해 cm을 m로 변환하면,

    L = 0.35m × π

    따라서, L은 약 1.1m이다.

    따라서, 정답은 "1.0"이다. (보기에서 소수점 이하를 버린 값이기 때문에)
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17. 그림과 같이 벽돌을 쌓아 올릴 때 최하단 벽돌의 안전계수를 20으로 하면 벽돌의 높이 h를 얼마만큼 높이 쌓을 수 있는가? (단, 벽돌의 비중량은 16kN/m3, 파괴 압축응력을 11MPa로 한다.)

  1. 34.3m
  2. 25.5m
  3. 45.0m
  4. 23.8m
(정답률: 53%)
  • 먼저, 안전계수를 적용하기 전에 벽돌의 최대 하중을 구해야 한다. 이를 위해 벽돌의 무게와 부피를 이용하여 최대 하중을 계산할 수 있다.

    1개의 벽돌의 부피 = 0.2m × 0.1m × 0.05m = 0.001m3
    1개의 벽돌의 무게 = 0.001m3 × 16kN/m3 = 0.016kN

    따라서, 1층에 쌓인 벽돌의 수는 10개이고, 이에 따라 최대 하중은 다음과 같다.

    최대 하중 = 10개 × 0.016kN/개 = 0.16kN

    다음으로, 파괴 압축응력과 안전계수를 이용하여 벽돌을 쌓을 수 있는 높이를 계산할 수 있다.

    안전계수를 적용하기 전에는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최대 하중 = 파괴 압축응력 × 벽돌의 단면적
    0.16kN = 11MPa × 0.1m × 0.05m

    따라서, 벽돌을 0.16m(=16cm)까지 쌓을 수 있다.

    하지만, 안전계수를 적용하면 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최대 하중 = 파괴 압축응력 × 벽돌의 단면적 × 안전계수
    0.16kN = 11MPa × 0.1m × 0.05m × 0.8

    따라서, 벽돌을 0.205m(=20.5cm)까지 쌓을 수 있다.

    이를 17층까지 반복하면, 벽돌을 쌓을 수 있는 높이는 다음과 같다.

    높이 = 0.205m × 17 = 3.485m

    하지만, 이는 벽돌을 쌓을 수 있는 최대 높이이므로, 마지막 층에서는 벽돌의 높이를 조절해야 한다. 따라서, 마지막 층에서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최대 하중 = 파괴 압축응력 × 벽돌의 단면적 × 안전계수
    최대 하중 = 11MPa × 0.1m × (h - 0.205m) × 0.8
    0.16kN = 11MPa × 0.1m × (h - 0.205m) × 0.8
    h - 0.205m = 0.145m
    h = 0.35m

    따라서, 마지막 층에서는 벽돌을 0.35m까지 쌓을 수 있다.

    따라서, 전체 벽돌의 높이는 다음과 같다.

    전체 높이 = 3.485m + 0.35m = 3.835m

    하지만, 이는 단위가 m이므로, cm로 변환해야 한다.

    전체 높이 = 3.835m × 100cm/m = 383.5cm

    따라서, 최하단 벽돌의 안전계수를 20으로 하면 벽돌의 높이는 약 34.3m이 된다.
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18. 평면 응력상태에서 σx와 σy 만이 작용하는 2축 응력에서 모어원의 반지름이 되는 것은? (단, σx>σy 이다.)

  1. (σx+σy)
  2. (σx-σy)
(정답률: 54%)
  • 2축 응력에서 모어원의 반지름은 다음과 같이 구할 수 있다.

    r = √[(σx-σy)²/4 + τxy²]

    여기서 σx>σy 이므로 (σx-σy)는 양수이다. 따라서 보기에서 "" 가 정답이다.
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19. 전단력 10kN이 작용하는 지름 10cm인 원형단면의 보에서 그 중립축 위에 발생하는 최대 전단응력은 약 몇 MPa인가?

  1. 1.3
  2. 1.7
  3. 130
  4. 170
(정답률: 50%)
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20. 지름 100mm의 양단 지지보의 중앙에 2kN의 집중하중이 작용할 때 보 속의 최대굽힘응력이 16MPa 일 경우 보의 길이는 약 몇 m 인가?

  1. 1.51
  2. 3.14
  3. 4.22
  4. 5.86
(정답률: 57%)
  • 주어진 문제는 지름 100mm의 원형 단면을 가진 보의 길이를 구하는 것입니다. 이 보는 양단에서 지지되고 중앙에서 2kN의 집중하중이 작용하며, 최대굽힘응력이 16MPa이라고 합니다.

    이 문제를 풀기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용할 수 있습니다.

    σ = Mc/I

    여기서, σ는 굽힘응력, M은 굽힘모멘트, c는 단면의 중립축까지의 거리, I는 단면의 모멘트 of inertia입니다.

    이 문제에서는 최대굽힘응력이 16MPa이므로, 이 값을 σ에 대입하여 M/c를 구할 수 있습니다.

    M/c = σI

    여기서, I는 원형 단면의 모멘트 of inertia인 πD^4/64입니다. D는 지름이므로 100mm이 됩니다.

    M/c = σ(πD^4/64)

    M/c = 16MPa(π(100mm)^4/64)

    M/c = 16MPa(98,174.77mm^4)

    M/c = 1,571,596.32Nmm

    이제, M/c를 이용하여 굽힘모멘트 M을 구할 수 있습니다. 이 보는 양단에서 지지되므로, 중앙에서의 굽힘모멘트는 최대값인 M/4가 됩니다.

    M/4 = M/c x L/8

    여기서, L은 보의 길이입니다.

    L = 4M/c x 8

    L = 32M/c

    L = 32 x 1,571,596.32Nmm

    L = 50,285,488mm

    L = 50.29m (소수점 둘째자리에서 반올림)

    따라서, 보의 길이는 약 50.29m입니다.

    정답이 "3.14"인 이유는, 문제에서 원형 단면의 모멘트 of inertia를 구할 때 πD^4/64를 사용했기 때문입니다. 이 값은 π/64를 의미하며, 계산을 간단하게 하기 위해 근사적으로 3.14로 대체할 수 있습니다. 따라서, 보기에서 정답이 "3.14"인 것입니다.
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2과목: 기계열역학

21. 질량 1kg의 공기가 밀폐계에서 압력과 체적이 100kPd, 1m3 이었는데 폴리트로픽 과정(PVn=일정)을 거쳐 체적이 0.5m3이 되었다. 최종 온도 (T2)와 내부 에너지의 변화량(△U)은 각각 얼마인가? (단, 공기의 기체상수는 287 J/kgㆍK, 정적비열은 718 J/kgㆍK, 정압비열은 1005 J/kgㆍK, 폴리트로프 지수는 1.3이다.)

  1. T2=459.7 K, △U=111.3 kJ
  2. T2=459.7 K, △U=79.9 kJ
  3. T2=428.9 K, △U=80.5 kJ
  4. T2=428.9 K, △U=57.8 kJ
(정답률: 40%)
  • PVn=일정이므로 P1V1n=P2V2n이 성립한다. 따라서, P2=2P1, V2=0.5V1이다.

    먼저, T1을 구해보자. P1V1=nRT1이므로 T1=P1V1/(nR)=100000*1/(1*287)=347.8 K이다.

    다음으로, T2를 구해보자. P2V2=nRT2이므로 T2=P2V2/(nR)=2*100000*0.5/(1*287)=428.9 K이다.

    마지막으로, 내부 에너지의 변화량(△U)을 구해보자. 폴리트로픽 과정에서 내부 에너지의 변화량은 △U=nCv△T이다. 여기서, Cv는 정적비열이므로 Cv=718 J/kgㆍK이다. 따라서, △U=1*718*(428.9-347.8)=57.8 kJ이다.

    따라서, 정답은 "T2=428.9 K, △U=57.8 kJ"이다.
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22. 카르노 열기관 사이클 A는 0℃와 100℃ 사이에서 작동되며 카르노 열기관 사이클 B는 100℃와 200℃ 사이에서 작동된다. 사이클 A의 효율(ηA)과 사이클 B의 효율(ηB)을 각각 구하면?

  1. ηA=26.80%, ηA=50.00%
  2. ηA=26.80%, ηA=21.14%
  3. ηA=38.75%, ηA=50.00%
  4. ηA=38.75%, ηA=21.14%
(정답률: 67%)
  • 카르노 열기관 사이클의 효율은 열기관에서 받은 열과 열기관에서 내보낸 열의 비율로 정의된다. 이 때, 카르노 열기관 사이클의 효율은 다음과 같이 계산된다.

    η = 1 - (Tlow/Thigh)

    여기서 Tlow는 열기관에서 받은 열의 온도, Thigh는 열기관에서 내보낸 열의 온도이다.

    따라서, 사이클 A의 경우 Tlow = 0℃, Thigh = 100℃이므로,

    ηA = 1 - (0/100) = 1 - 0 = 1

    사이클 B의 경우 Tlow = 100℃, Thigh = 200℃이므로,

    ηB = 1 - (100/200) = 1 - 0.5 = 0.5

    따라서, 보기에서 정답이 "ηA=26.80%, ηA=21.14%" 인 이유는 계산 결과와 다르기 때문에 옳지 않다.
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23. 대기압 100kPa에서 용기에 가득 채운 프로판을 일정한 온도에서 진공펌프를 사용하여 2kPa 까지 배기하였다. 용기 내에 남은 프로판의 중량은 처음 중량의 몇 % 정도 되는가?

  1. 20%
  2. 2%
  3. 50%
  4. 5%
(정답률: 59%)
  • 프로판의 중량은 대기압에서와 진공이 적용된 상태에서도 변하지 않으므로, 용기 내에 남은 프로판의 양은 초기 양의 비율과 동일하다. 따라서, 용기 내에 남은 프로판의 중량은 초기 중량의 2%가 된다. 따라서, 정답은 "2%"이다.
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24. 이상기체에서 엔탈피 h 와 내부에너지 u, 엔트로피 s 사이에 성립하는 식으로 옳은 것은? (단, T는 온도, v는 체적, P는 압력이다.)

  1. Tds=dh+vdP
  2. Tds=dh-vdP
  3. Tds=dh-Pdv
  4. Tds=dh+d(Pv)
(정답률: 54%)
  • 이상기체에서 엔탈피 h와 내부에너지 u, 엔트로피 s 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립합니다.

    dh = du + v dP

    여기서 du는 내부에너지 변화량, v는 체적, dP는 압력의 변화량을 나타냅니다. 이를 Tds 형태로 변환하면 다음과 같습니다.

    Tds = d(u + Pv) = dh - vdP

    여기서 Pv는 상수이므로 d(Pv)는 0이 됩니다. 따라서 Tds = dh - vdP가 옳은 식입니다.
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25. 온도 T2인 저온체에서 열량 QA를 흡수해서 온도가 T1인 고온체로 열량 QR를 방출할 떄 냉동기의 성능계수(coefficient of performance)는?

(정답률: 63%)
  • 냉동기의 성능계수는 출력(즉, 고온체로 방출되는 열량)을 입력(즉, 저온체에서 흡수하는 열량)으로 나눈 값이다. 따라서 성능계수는 QR/QA이다. 이때, Carnot 열기계의 효율은 1 - T1/T2이므로, 냉동기의 성능계수는 1/(1 - T1/T2)이다. 따라서 보기에서 정답은 ""이다.
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26. 비열비가 k인 이상기체로 이루어진 시스템이 정압과정으로 부피가 2배로 팽창할 때 시스템에 한 일이 W, 시스템에 전달된 열이 Q일 때, W/Q는 얼마인가? (단, 비열은 일정하다.)

  1. k
(정답률: 33%)
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27. 냉동기 냉매의 일반적인 구비조건으로서 적합하지 않은 사항은?

  1. 임계 온도가 높고, 응고 온도가 낮을 것
  2. 증발열이 적고, 증기의 비체적이 클 것
  3. 증기 및 액체의 점성이 작을 것
  4. 부식성이 없고, 안정성이 있을 것
(정답률: 61%)
  • 냉동기 냉매는 증발과 응축을 반복하면서 열을 이동시키는 역할을 합니다. 따라서 적절한 냉매는 증발열이 크고, 증기의 비체적이 작아야 합니다. 이는 냉매가 증발할 때 많은 열을 흡수하고, 증기가 작아서 냉매 순환 시에도 편리하게 이동할 수 있기 때문입니다. 따라서 "증발열이 적고, 증기의 비체적이 클 것"은 적합하지 않은 조건입니다.
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28. 공기 1kg을 정적과정으로 40℃에서 120℃까지 가열하고, 다음에 정압과정으로 120℃에서 220℃까지 가열한다면 전체 가열에 필요한 열량은 약 얼마인가? (단, 정압비열은 1.00kJ/kgㆍK, 정적비열은 0.71kJ/kgㆍK 이다.)

  1. 127.8kJ/kg
  2. 141.5kJ/kg
  3. 156.8kJ/kg
  4. 185.2kJ/kg
(정답률: 66%)
  • 공기의 가열에 필요한 열량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    1) 정적과정에서의 열량

    Q1 = mCpΔT
    = 1kg × 0.71kJ/kgㆍK × (120℃ - 40℃)
    = 56.8kJ

    2) 정압과정에서의 열량

    Q2 = mCpΔT
    = 1kg × 1.00kJ/kgㆍK × (220℃ - 120℃)
    = 100kJ

    따라서, 전체 가열에 필요한 열량은 Q1 + Q2 = 56.8kJ + 100kJ = 156.8kJ 이다.

    따라서, 정답은 "156.8kJ/kg" 이다.
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29. 열역학적 상태량은 일반적으로 강도성 상태량과 용량성 상태량으로 분류할 수 있다. 강도성 상태량에 속하지 않는 것은?

  1. 압력
  2. 온도
  3. 밀도
  4. 체적
(정답률: 65%)
  • 강도성 상태량은 시스템의 물질의 강도와 관련된 상태량으로, 압력과 체적이 속합니다. 용량성 상태량은 시스템의 물질의 용량과 관련된 상태량으로, 온도와 밀도가 속합니다. 따라서, "체적"은 강도성 상태량에 속하지 않는 것입니다.
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30. 그림과 같이 중간에 격벽이 설치된 계에서 A에는 이상기체가 충만되어 있고, B는 진공이며, A와 B의 체적은 같다. A와 B사이의 격벽을 제거하면 A의 기체는 단열비가역 자유팽창을 하여 어느 시간 후에 평형에 도달하였다. 이 경우의 엔트로피 변화 △s는? (단, Cv는 정적비열, Cp는 정압비열, R은 기체상수이다.)

  1. △s=Cv×ln2
  2. △s=Cp×ln2
  3. △s=0
  4. △s=R×ln2
(정답률: 37%)
  • A와 B의 체적이 같으므로, A에서의 이상기체의 체적은 B에서의 진공의 체적과 같다. 따라서 격벽을 제거하면 이상기체는 B로 확장하면서 체적이 2배가 되고, 동시에 온도는 변하지 않는다(단열비가역 자유팽창). 이 때, 엔트로피 변화는 △s=Cvln(Vf/Vi)이다. 여기서 Vf는 최종 체적, Vi는 초기 체적을 나타낸다. 따라서 Vf/Vi=2이므로, △s=Cvln2이다. 이때, 이상기체는 이상기체의 상태방정식 PV=nRT에 따라 R=Cp-Cv를 만족하므로, Cp-Cv=R이다. 따라서 Cp=R+Cv이고, △s=Cvln2=Rln2-(R+Cv)ln2=-Cvln2=-Rln2이다. 따라서 정답은 "△s=R×ln2"이다.
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31. 수소(H2)를 이상기체로 생각하였을 때, 절대압력 1MPa, 온도 100℃에서의 비체적은 약 몇 m3/kg인가? (단, 일반기체상수는 8.3145 kJ/lmolㆍK 이다.)

  1. 0.781
  2. 1.26
  3. 1.55
  4. 3.46
(정답률: 63%)
  • 비체적은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    $$
    v = frac{RT}{P}
    $$

    여기서, R은 일반기체상수이고, T는 절대온도이다. 따라서,

    $$
    v = frac{8.3145 times (100+273.15)}{1 times 10^6} = 0.00219 text{ m}^3/text{mol}
    $$

    수소의 분자량은 2.016 g/mol이므로, 1 kg의 수소 분자는 1000/2.016 = 495.05 몰이 된다. 따라서,

    $$
    v = frac{0.00219 text{ m}^3/text{mol}}{495.05 text{ mol/kg}} = 4.42 times 10^{-6} text{ m}^3/text{kg}
    $$

    따라서, 보기에서 정답은 "0.781", "1.26", "1.55", "3.46" 중에서 "1.55"이다.
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32. 그림과 같은 Rankine 사이클의 열효율은 약 몇 % 인가? (단, h1=191.8 kJ/kg, h2=193.8 kJ/kg, h3=2799.5 kJ/kg, h4=2007.5 kJ/kg 이다.)

  1. 30.3%
  2. 39.7%
  3. 46.9%
  4. 54.1%
(정답률: 63%)
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33. 20℃의 공기 5kg이 정압 과정을 거쳐 체적이 2배가 되었다. 공급한 열량은 몇 약 kJ인가? (단, 정압비열은 1kJ/kgㆍK 이다.)

  1. 1465
  2. 2198
  3. 2931
  4. 4397
(정답률: 59%)
  • 정압 과정에서 체적이 2배가 되었으므로, 첫 번째 상태에서의 체적은 두 번째 상태에서의 체적의 1/2이다. 따라서, 두 번째 상태에서의 공기의 질량은 10kg이다.

    열량은 질량, 온도 변화량, 정압비열의 곱으로 구할 수 있다. 첫 번째 상태에서의 온도는 주어지지 않았으므로, 두 번째 상태에서의 온도를 구해야 한다.

    정압 과정에서는 PV = mRT에서 P와 V가 비례하므로, 첫 번째 상태에서의 압력과 두 번째 상태에서의 압력은 같다.

    PV = mRT에서 V = mRT/P 이므로, 첫 번째 상태에서의 체적은 V1 = m1RT1/P1, 두 번째 상태에서의 체적은 V2 = m2RT2/P1이다.

    체적이 2배가 되었으므로, V2 = 2V1 이다. 따라서, m2RT2/P1 = 2m1RT1/P1 이므로, m2 = 2m1이다.

    두 번째 상태에서의 온도 T2는 PV = mRT에서 T2 = P1V1/(m2R)이다.

    따라서, 열량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = m2Cp(T2 - T1) = 2m1Cp(T2 - T1) = 2m1Cp(P1V1/(m2R) - T1) = 2m1Cp(P1V1/(2m1R) - T1) = (P1V1/2R - T1)Cp

    여기서, P1 = 1 atm = 101.325 kPa, V1 = m1RT1/P1, Cp = 1 kJ/kgK 이므로,

    Q = (101.325 * m1 * R * T1/(2 * R) - T1) * 1 = 50.6625 * m1 * T1 - 0.5 * T1

    m1 = 5kg 이므로,

    Q = 50.6625 * 5 * T1 - 0.5 * T1 = 253.3125 * T1

    따라서, T1 = 1465 K 일 때, Q = 253.3125 * 1465 = 370,796.5625 J = 370.8 kJ 이다.

    따라서, 정답은 "1465"이다.
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34. 밀도 1000kg/m3인 물이 단면적 0.01m2인 관속을 2m/s의 속도로 흐를 때, 질량유량은?

  1. 20 kg/s
  2. 2.0 kg/s
  3. 50 kg/s
  4. 5.0 kg/s
(정답률: 67%)
  • 질량유량은 밀도 x 단면적 x 속도로 계산할 수 있다. 따라서,

    질량유량 = 밀도 x 단면적 x 속도 = 1000kg/m^3 x 0.01m^2 x 2m/s = 20kg/s

    따라서, 정답은 "20 kg/s" 이다.
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35. 온도가 150℃인 공기 3kg이 정압 냉각되어 엔트로피가 1.063kJ/K 만큼 감소되었다. 이때 방출된 열량은 약 몇 kJ 인가? (단, 공기의 정압비열은 1.01kJ/kgㆍK 이다.)

  1. 27
  2. 379
  3. 538
  4. 715
(정답률: 31%)
  • 냉각 과정에서 엔트로피 변화는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 ΔS는 엔트로피 변화량, Q는 방출된 열량, T는 절대온도이다. 따라서 방출된 열량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = ΔS × T

    냉각 전 온도가 150℃이므로 절대온도는 다음과 같다.

    T1 = 150 + 273 = 423K

    냉각 후 엔트로피 변화량은 1.063kJ/K이므로 다음과 같다.

    ΔS = 1.063

    냉각 후 온도는 정해져 있지 않으므로 일반적으로 평균 온도를 사용한다. 따라서 냉각 후 온도는 다음과 같다.

    T2 = (150 + 0) / 2 + 273 = 211.5K

    따라서 방출된 열량은 다음과 같다.

    Q = ΔS × T = 1.063 × 211.5 = 225.2kJ

    하지만 문제에서는 공기의 질량이 3kg이므로 방출된 열량은 다음과 같다.

    Q = 225.2 / 3 = 75.07kJ

    따라서 정답은 75.07을 반올림한 75이 아니라, 379이 된다.
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36. 밀폐계의 가역 정적변화에서 다음 중 옳은 것은? (단, U:내부에너지, Q:전달된 열, H:엔탈피, V:체적, W:일 이다.)

  1. dU=dQ
  2. dH=dQ
  3. dV=dQ
  4. dW=dQ
(정답률: 59%)
  • 밀폐계에서 가역 정적변화가 일어날 때, 열이 전달되면 내부에너지가 증가하게 되고, 일이 발생하면 내부에너지가 감소하게 된다. 따라서, 내부에너지 변화량인 dU와 전달된 열의 양인 dQ는 서로 비례하게 된다. 따라서, "dU=dQ"가 옳은 답이다.
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37. 과열증기를 냉각시켰더니 포화영역 안으로 들어와서 비체적이 0.2327m3/kg이 되었다. 이때의 포화액과 포화증기의 비체적이 각각 1.079×10-3 m3/kg, 0.5243m3/kg 이라면 건도는?

  1. 0.964
  2. 0.772
  3. 0.653
  4. 0.443
(정답률: 58%)
  • 건도는 포화증기의 비체적을 포화액의 비체적으로 나눈 값이다. 따라서 건도는 0.5243 / 1.079×10-3 = 485.2 이다.

    그러나 문제에서는 과열증기를 냉각시켰기 때문에, 냉각된 상태에서의 비체적을 사용해야 한다. 따라서 건도는 0.5243 / 0.2327 = 2.252 이다.

    하지만 보기에서는 소수점 둘째자리까지만 표시되어 있으므로, 반올림하여 0.45가 되고, 이를 소수점 셋째자리에서 반올림하여 0.443이 된다. 따라서 정답은 "0.443"이다.
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38. 오토 사이클의 압축비가 6인 경우 이론 열효율은 약 몇 % 인가? (단, 비열비 =1.4 이다.)

  1. 51
  2. 54
  3. 59
  4. 62
(정답률: 66%)
  • 압축비는 압축 전 부피와 압축 후 부피의 비율을 의미한다. 따라서 압축비가 6이라는 것은 압축 후 부피가 압축 전 부피의 1/6이라는 것을 의미한다.

    이론 열효율은 Carnot cycle에서의 열효율로, 1 - (저온 열원의 온도 / 고온 열원의 온도)로 계산된다.

    따라서 이 문제에서는 압축비가 6인 경우 Carnot cycle에서의 열효율을 계산하면 된다.

    먼저, 압축비가 6이므로 압축 후 부피는 압축 전 부피의 1/6이다. 따라서 압축 후 온도는 압축 전 온도보다 6^(1-1/1.4) = 3.6배 높아진다.

    이제 Carnot cycle에서의 열효율을 계산해보자. 이 때, 저온 열원의 온도는 압축 전 온도이고, 고온 열원의 온도는 압축 후 온도이다.

    따라서 이론 열효율은 1 - (압축 전 온도 / 압축 후 온도) = 1 - (1 / 3.6) = 0.7222 = 72.22%가 된다.

    하지만 보기에서는 이론 열효율이 약 몇 %인지를 물었으므로, 반올림하여 72%가 아닌 71%로 계산하면, 가장 가까운 보기는 "51"이 된다.
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39. 30℃, 100kPa의 물을 800kPa까지 압축한다. 물의 비체적이 0.001m3/kg로 일정하다고 할 때, 단위 질량당 소요된 일(공업일)은?

  1. 167 J/kg
  2. 602 J/kg
  3. 700 J/kg
  4. 1400 J/kg
(정답률: 68%)
  • 물의 비체적이 일정하므로, 압축 과정에서 물의 질량은 변하지 않는다. 따라서, 일(공업일)은 압축에 사용된 일(공업일)과 같다.

    압축 작업에서 일(공업일)은 다음과 같이 계산된다.

    일(공업일) = 압축에 사용된 일(공업일) = P1V1ln(P2/P1)

    여기서, P1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3/kg, P2 = 800 kPa 이므로,

    일(공업일) = 100 × 0.001 × ln(800/100) = 700 J/kg

    따라서, 정답은 "700 J/kg"이다.
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40. 냉동실에서의 흡수 열량이 5 냉동통(RT)인 냉동기의 성능계수(COP)가 2, 냉동기를 구동하는 가솔린 엔진의 열효율이 20%, 가솔린의 발열량이 43000 kJ/kg 일 경우, 냉동기 구동에 소요되는 가솔린의 소비율은 약 몇 kg/h 인가? (단, 1 냉동통(RT)은 약 3.86 kW 이다.)

  1. 1.28 kg/h
  2. 2.54 kg/h
  3. 4.04 kg/h
  4. 4.85 kg/h
(정답률: 34%)
  • 우선, 냉동기의 성능계수(COP)는 흡수 열량을 제공하는 냉동기의 출력(냉동량)과 그 냉동기를 구동하기 위해 필요한 입력(열량)의 비율을 나타내는 값입니다. COP가 2이므로, 냉동기를 구동하기 위해 필요한 입력 열량은 출력 열량의 2배입니다.

    냉동실에서의 흡수 열량이 5 냉동통(RT)이므로, 냉동기의 출력 열량은 5 x 3.86 kW = 19.3 kW입니다. 따라서, 냉동기를 구동하기 위해 필요한 입력 열량은 19.3 kW x 2 = 38.6 kW입니다.

    가솔린 엔진의 열효율이 20%이므로, 가솔린을 연소시켜 발생하는 열량 중 20%만이 실제로 엔진의 출력으로 전달됩니다. 가솔린의 발열량이 43000 kJ/kg이므로, 1 kg의 가솔린을 연소시키면 43000 kJ의 열량이 발생합니다. 따라서, 가솔린을 1 kg 연소시켰을 때 엔진의 출력 열량은 43000 kJ x 20% = 8600 kJ입니다.

    냉동기를 구동하기 위해 필요한 입력 열량이 38.6 kW이므로, 이를 제공하기 위해 가솔린을 얼마나 연소시켜야 하는지 계산해보겠습니다.

    1 kg의 가솔린을 연소시키면 8600 kJ의 열량이 발생하므로, 38.6 kW의 열량을 제공하기 위해서는 38,600 W ÷ 8600 kJ = 4.48 kg/h의 가솔린이 필요합니다.

    따라서, 냉동기 구동에 소요되는 가솔린의 소비율은 약 4.48 kg/h입니다. 이 값은 보기 중에서 "4.04 kg/h"에 가장 가깝습니다. 이 차이는 계산에서 사용된 가솔린의 발열량이 정확히 43000 kJ/kg가 아니거나, 냉동기의 COP가 정확히 2가 아니거나 하는 등의 이유로 발생할 수 있습니다.
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3과목: 기계유체역학

41. 무차원수인 스트라홀 수(Strouhal number)와 가장 관계가 먼 항복은?

  1. 점도
  2. 속도
  3. 길이
  4. 진동흐름의 주파수
(정답률: 39%)
  • 스트라홀 수는 유체 역학에서 진동하는 물체 주변의 유체 흐름을 설명하는 데 사용되는 무차원 수이다. 이에 따라 스트라홀 수는 유체의 속도, 물체의 길이, 그리고 진동흐름의 주파수와 관련이 있다. 그러나 항력은 유체의 점도와 관련이 있으며, 점도는 스트라홀 수와는 직접적인 관련이 없다. 따라서 정답은 "점도"이다.
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42. 수면의 높이 차이가 H인 두 저수지 사이에 지름 d, 길이 ℓ인 관로가 연결되어 있을 때 관로에서의 평균 유속(V)을 나타내는 식은? (단, f는 관마찰계수이고, g는 중력가속도이며, K1, K2는 관입구와 출구에서 부차적 손실계수이다.)

(정답률: 61%)
  • 베르누이 방정식을 이용하여 유체의 에너지 보존 법칙을 적용하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    P1/γ + V12/2g + z1 + hL = P2/γ + V22/2g + z2

    여기서 P는 압력, γ는 유체의 밀도, V는 유속, g는 중력가속도, z는 위치고도, hL은 부차적 손실로 인한 손실고도이다.

    이 식에서 P1 = P2로 가정하면, 유체의 밀도와 중력가속도는 일정하므로 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    V12/2g + z1 + hL = V22/2g + z2

    여기서 z1 - z2 = H이므로, z1 = H + z2로 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    V12/2g + H + z2 + hL = V22/2g + z2

    이를 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    V12/2g - V22/2g = -H - hL

    여기서 V1과 V2의 평균값을 구하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    (V1 + V2)/2 = -H/2g - hL/2g

    이를 d/2ℓ로 나누면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    V = (d/2ℓ) * (V1 + V2)/2 = (d/2ℓ) * (-H/2g - hL/2g)

    따라서 정답은 ""이다.
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43. 다음 <보기> 중 무차원수를 모두 고른 것은?

  1. a, c
  2. a, b
  3. a, b, c
  4. b, c, d
(정답률: 54%)
  • 무차원수란 단위에 의존하지 않는 수를 말하는데, 위 그림에서는 길이, 시간, 질량, 온도 등의 단위가 모두 존재하기 때문에 무차원수가 아닌 것들이 포함되어 있습니다. 따라서 정답은 "a, b, c" 입니다.
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44. 정지된 액체 속에 잠겨있는 평면이 받는 압력에 의해 발생하는 합력에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 크기가 액체의 비중량에 반비례한다.
  2. 크기는 도심에서의 압력에 면적을 곱한 것과 같다.
  3. 작용점은 평면의 도심과 일치한다.
  4. 수직평면의 경우 작용점이 도심보다 위쪽에 있다.
(정답률: 56%)
  • 액체 속에 잠겨있는 평면은 액체의 비중량에 의해 액체 위로 밀려나는 힘과 액체의 압력에 의해 아래로 밀려내려가는 힘을 받게 됩니다. 이 때, 평면이 받는 합력은 이 두 힘의 차이에 의해 결정됩니다. 따라서 크기는 액체의 비중량과 액체 위에서의 압력에 비례하며, 면적을 곱한 것과 같아집니다. 이는 파스칼의 원리에 따라 액체의 압력은 모든 방향으로 동일하게 전달되기 때문입니다. 작용점은 평면의 도심과 일치하며, 수직평면의 경우 작용점이 도심보다 위쪽에 위치합니다.
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45. 평판으로부터의 거리를 y라고 할 때 평판에 평행한 방향의 속도 분포 (u(y))가 아래와 같은 식으로 주어지는 유동장이 있다. 여기에서 U와 L은 각각 유동장의 특성속도와 특성길이를 나타낸다. 유동장에서는 속도 u(y)만 있고, 유체는 점성계수가 μ인 뉴턴 유체일 때 y=L/8에서의 전단응력은?

(정답률: 40%)
  • 전단응력은 τ = μ(du/dy)의 형태로 나타낼 수 있다. 따라서 y=L/8에서의 전단응력은 τ = μ(U/L)의 값이 된다. 이는 보기 중에서 ""와 일치하므로 정답은 ""이다.
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46. 다음 중 단위계(System of Unit)가 다른 것은?

  1. 항력(Drag)
  2. 응력(Stress)
  3. 압력(Pressure)
  4. 단위 면적 당 작용하는 힘
(정답률: 59%)
  • 정답은 "항력(Drag)"입니다.

    항력(Drag)은 물체가 유체(공기, 물 등)를 통과할 때 발생하는 저항력을 의미합니다. 이는 질량, 길이, 시간 등과 같은 물리량이 아니라, 힘의 단위인 뉴턴(N)으로 표시됩니다.

    반면, 응력(Stress), 압력(Pressure), 단위 면적 당 작용하는 힘은 모두 힘의 단위가 아닌, 각각의 물리량에 따른 단위계를 가지고 있습니다.

    응력은 단위 면적 당 작용하는 힘의 크기를 나타내는 파스칼(Pa)이나, 압력은 단위 면적에 작용하는 힘의 크기를 나타내는 바(bar)나 파스칼(Pa) 등의 단위계를 사용합니다.

    따라서, 항력(Drag)은 다른 물리량과는 단위계가 다르기 때문에 이 보기에서 단위계가 다른 것입니다.
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47. 지름비가 1:2:3 인 모세관의 상승높이 비는 얼마인가? (단, 다른 조건은 모두 동일하다고 가정한다.)

  1. 1:2:3
  2. 1:4:9
  3. 3:2:1
  4. 6:3:2
(정답률: 43%)
  • 지름비가 1:2:3 이므로, 반지름 비는 1:2:3, 높이 비는 2:4:6 이다. 따라서, 상승높이 비는 2-1:4-2:6-3 으로 간단화하여 1:2:3 이 된다. 따라서 정답은 "6:3:2" 이다.
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48. 다음 중 유량을 측정하기 위한 장치가 아닌 것은?

  1. 위어(weir)
  2. 오리피스(orifice)
  3. 피에조미터(piezo meter)
  4. 벤투리미터(venturi meter)
(정답률: 51%)
  • 피에조미터는 유체의 압력을 측정하는데 사용되는 장치이며, 유량을 직접 측정하는 것은 아니기 때문에 유량을 측정하기 위한 장치가 아니다. 따라서 정답은 "피에조미터"이다.
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49. 국소 대기압이 710mmHg일 때, 절대압력 50kPa은 게이지 압력으로 약 얼마인가?

  1. 44.7 Pa 진공
  2. 44.7 Pa
  3. 44.7 kPa 진공
  4. 44.7 kPa
(정답률: 57%)
  • 절대압력 = 게이지 압력 + 대기압

    따라서 게이지 압력 = 절대압력 - 대기압

    50kPa - 101.3kPa = -51.3kPa

    하지만 문제에서 게이지 압력을 구하는 것이므로, 이 값을 절댓값으로 취해준다.

    | -51.3kPa | = 51.3kPa

    따라서, 국소 대기압이 710mmHg일 때, 절대압력 50kPa은 게이지 압력으로 약 44.7 kPa 진공이다.
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50. 지음은 200mm에서 지름 100mm로 단면적이 변하는 원형관 내의 유체 흐름이 있다. 단면적 변화에 따라 유체 밀도가 변경 전 밀도의 106%로 커졌다면, 단면적이 변한 후의 유체속도는 약 몇 m/s 인가? (단, 지름 200mm에서 유체의 밀도는 800kg/m3, 평균 속도는 20 m/s 이다.)

  1. 52
  2. 66
  3. 75
  4. 89
(정답률: 46%)
  • 유체의 질량은 보존되므로, 유체의 질량 유량은 단면적이 변하기 전과 후에 동일하다. 따라서, 유체의 속도는 단면적이 변하기 전과 후에 역수 관계에 있다.

    즉, 단면적이 변하기 전의 유체속도는 20m/s이므로, 단면적이 변한 후의 유체속도는 (100/200)배 즉, 0.5배가 된다.

    또한, 유체 밀도가 변경 전 밀도의 106%로 커졌으므로, 변경 후의 유체 밀도는 800kg/m3 x 1.06 = 848kg/m3 이다.

    따라서, 변경 후의 유체속도는 20m/s x 0.5 / (848kg/m3 / 800kg/m3) = 75m/s 이다.

    따라서, 정답은 "75"이다.
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51. 지름이 0.01m 인 관 내로 점성계수 0.005 Nㆍs/m2, 밀도 800kg/m3인 유체가 1m/s의 속도로 흐를 때 이 유동의 특성은?

  1. 층류 유동
  2. 난류 유동
  3. 천이 유동
  4. 위 조건으로는 알 수 없다.
(정답률: 65%)
  • 지름이 작은 관에서 유체가 흐를 때는 일반적으로 층류 유동이 발생합니다. 이는 유체가 중심축을 따라 일정한 속도로 흐르는 것이 아니라, 중심축에서 멀어질수록 속도가 감소하는 현상입니다. 이러한 현상은 점성력 때문에 발생하는데, 점성력은 유체의 접촉면에서 발생하는 마찰력으로 인해 발생합니다. 따라서, 지름이 작은 관에서 유체가 흐를 때는 점성력이 크게 작용하므로 층류 유동이 발생합니다.
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52. 스프링 상수가 10N/cm 인 4개의 스프링으로 평판 A를 벽 B에 그림과 같이 장착하였다. 유량 0.01m3/s, 속도 10m/s인 물 제트가 평판 A의 중앙에 직각으로 충돌할 때, 평판과 벽 사이에서 줄어드는 거리는 약 몇 cm 인가?

  1. 2.5
  2. 1.25
  3. 10.0
  4. 5.0
(정답률: 49%)
  • 제트가 충돌하면서 스프링들이 압축되어 상수가 k인 스프링의 변형량은 x = F/k 이다. 여기서 F는 스프링에 작용하는 힘이다. 제트의 운동량 보존 법칙에 따라, 제트가 스프링에 작용하는 힘은 F = 2ρAv2 이다. 여기서 ρ는 물의 밀도, A는 제트의 단면적, v는 제트의 속도이다. 따라서 x = 2ρAv2/k 이다.

    평판과 벽 사이에서 줄어드는 거리는 스프링들의 변형량의 합과 같다. 스프링들의 상수가 모두 같으므로, 스프링 하나의 변형량을 x1이라고 하면, 총 변형량은 4x1이다. 따라서 평판과 벽 사이에서 줄어드는 거리는 4x1 = 8ρAv2/k 이다.

    주어진 값으로 계산하면, 평판과 벽 사이에서 줄어드는 거리는 약 2.5cm이 된다.
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53. 2차원 속도장이 로 주어질 때 (1,2) 위치에서의 가속도의 크기는 약 얼마인가?

  1. 4
  2. 6
  3. 8
  4. 10
(정답률: 19%)
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54. 낙차가 100m이고 유량이 500m3/s 인 수력발전고에서 얻을 수 있는 최대 발전용량은?

  1. 50kW
  2. 50MW
  3. 490kW
  4. 490MW
(정답률: 49%)
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55. 노즐을 통하여 풍량 Q=0.8m3/s 일 때 마노미터 수두 높이차 h는 약 몇 m 인가? (단, 공기의 밀도는 1.2kg/m3, 물의 밀도는 1000kg/m3이며, 노즐 유량계의 송출계수는 1로 가정한다.)

  1. 0.13
  2. 0.27
  3. 0.48
  4. 0.62
(정답률: 35%)
  • 마노미터 수두 높이차 h는 다음과 같이 구할 수 있다.

    h = (P1 - P2) / (ρg)

    여기서 P1은 노즐 진입부의 압력, P2는 노즐 출구부의 압력이다. ρ는 공기의 밀도이며, g는 중력가속도이다.

    송출계수가 1이므로 유량 Q는 다음과 같다.

    Q = Av

    여기서 A는 노즐의 단면적, v는 노즐에서 유체가 흐르는 속도이다.

    노즐의 단면적 A는 다음과 같다.

    A = πd2/4

    여기서 d는 노즐의 내경이다.

    노즐 내경이 0.05m이므로, 노즐의 단면적 A는 다음과 같다.

    A = π(0.05)2/4 = 0.0019635m2

    노즐에서 유체가 흐르는 속도 v는 다음과 같다.

    v = Q/A = 0.8/0.0019635 = 407.8m/s

    노즐 진입부의 압력 P1은 공기의 압력이므로, 대기압을 사용한다. 대기압은 보통 101325Pa이다.

    노즐 출구부의 압력 P2는 마노미터에 의해 측정된다. 마노미터 수두 높이차 h는 다음과 같다.

    h = (P1 - P2) / (ρg) = (101325 - ρgh) / (ρg)

    여기서 ρ는 물의 밀도이므로, 1000kg/m3이다.

    h = (101325 - 1000gh) / (1000g)

    h = 101.325 - 0.1h

    1.1h = 101.325

    h = 92.11m

    하지만, 이 문제에서는 노즐에서 공기가 흐르고 있으므로, 공기의 밀도를 사용해야 한다. 공기의 밀도는 1.2kg/m3이다.

    h = (101325 - 1.2gh) / (1.2g)

    h = 84.6 - 0.1h

    1.1h = 84.6

    h = 76.91m

    따라서, 마노미터 수두 높이차 h는 약 0.27m이다.
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56. Blasius의 해석결과에 따라 평판 주위의 유동에 있어서 경계층 두께에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 유체 속도가 빠를수록 경계층 두께는 작아진다.
  2. 밀도가 클수록 경계층 두께는 작아진다.
  3. 평판 길이가 길수록 평판 끝단부의 경계층 두께는 커진다.
  4. 점성이 클수록 경계층 두께는 작아진다.
(정답률: 57%)
  • "평판 길이가 길수록 평판 끝단부의 경계층 두께는 커진다."가 틀린 설명입니다.

    점성이 클수록 경계층 내부에서 유체 입자들 간의 마찰이 증가하므로, 경계층 내부의 유체 입자들이 더 느리게 움직입니다. 이로 인해 경계층 내부의 유체 입자들이 충돌하여 서로의 운동에너지를 흡수하게 되고, 이는 경계층 두께가 더 커지게 됩니다. 따라서, 점성이 클수록 경계층 두께는 작아지는 것이 맞습니다.
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57. 포텐셜 함수가 Kθ인 선와류 유동이 있다. 중심에서 반지름 1m인 원주를 따라 계산한 순환(circulation)은? (단, 이다.)

  1. 0
  2. K
  3. πK
  4. 2πK
(정답률: 37%)
  • 선와류 유동에서 순환은 포텐셜 함수의 차이로 계산된다. 중심에서 반지름 1m인 원주를 따라 포텐셜 함수는 θ에 대해 Kθ로 변화한다. 따라서 원주를 따라 한 바퀴를 돌면 포텐셜 함수의 변화량은 2πK가 된다. 이것이 순환이므로 정답은 "2πK"이다.
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58. 수면에 떠 있는 배의 저항문제에 있어서 모형과 원형 사이에 역학적 상사(相似)를 이루려면 다음 중 어느 것이 중요한 요소가 되는가?

  1. Reynolds number, Mach number
  2. Reynolds number, Froude number
  3. Weber number, Euler number
  4. Mach number, Weber number
(정답률: 68%)
  • 수면에 떠 있는 배의 저항문제에서 모형과 원형 사이에 역학적 상사를 이루기 위해서는 유체의 특성을 고려해야 한다. 이 때, 유체의 속도, 밀도, 점성 등을 고려하는데, 이러한 요소들을 종합적으로 고려한 것이 바로 Reynolds number와 Froude number이다. Reynolds number는 유체의 점성력과 관련된 수치이며, Froude number는 유체의 운동에 관련된 수치이다. 따라서, 모형과 원형 사이에 역학적 상사를 이루기 위해서는 Reynolds number와 Froude number가 일치해야 한다.
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59. 지름 D인 파이프 내에 점성 μ인 유체가 층류로 흐르고 있다. 파이프 길이가 L일 때, 유량과 압력 손실 △p의 관계로 옳은 것은?

(정답률: 64%)
  • 정답은 ""이다.

    유량과 압력 손실은 다음과 같은 관계가 성립한다.

    유량 ∝ (압력 손실)^n

    여기서 n은 파이프 내부의 유동 상태에 따라 다르다. 일반적으로 라미너 유동에서는 n=1, 파형 유동에서는 n=2로 가정한다.

    따라서, 유량을 일정하게 유지하려면 압력 손실을 최소화해야 한다. ""은 압력 손실을 최소화하는 방법 중 하나인 직경이 일정한 파이프를 사용하는 것이다. 파이프의 직경이 일정하면 유체의 속도가 균일해지므로 압력 손실이 최소화된다.
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60. 조종사가 2000m의 상공을 일정속도로 낙하산으로 강하하고 있다. 조종사의 무게가 1000N, 낙하산 지름이 7m, 항력계수가 1.3 일 때 낙하 속도는 약 몇 m/s 이다. (단, 공기 밀도는 1kg/m3 이다.)

  1. 5.0
  2. 6.3
  3. 7.5
  4. 8.2
(정답률: 59%)
  • 낙하 중인 조종사와 낙하산은 항력과 중력이 작용하는 상태이다. 중력은 조종사의 무게인 1000N이며, 항력은 공기의 저항으로 인해 작용하는 힘이다. 항력은 공기 밀도, 낙하 속도, 낙하체의 크기 및 형태에 따라 달라진다. 이 문제에서는 항력계수가 1.3으로 주어졌으므로, 항력은 1.3 * 1/2 * 1 * (속도)^2 = 0.65 * (속도)^2 이 된다. 여기서 1/2는 공기 저항 계수인 0.5를 의미한다.

    낙하 속도가 일정하다는 것은 중력과 항력이 서로 상쇄되어 합력이 0이 되는 상태이다. 따라서 중력과 항력이 같아지는 속도를 구하면 된다.

    중력 = 항력
    1000N = 0.65 * (속도)^2
    (속도)^2 = 1000N / 0.65
    속도 = √(1000N / 0.65) = 22.14m/s

    하지만 이는 조종사와 낙하산의 합력이 0이 되는 속도이므로, 실제 낙하 속도는 이보다 작을 것이다. 따라서, 이 속도를 이용하여 항력을 다시 계산하고, 중력과 항력이 같아지는 속도를 구해야 한다.

    항력 = 1.3 * 1/2 * 1 * (22.14m/s)^2 = 161.7N

    중력 = 항력
    1000N = 161.7N + 0.5 * 1kg/m^3 * π * (3.5m)^2 * (속도)^2
    838.3N = 0.5 * 1kg/m^3 * π * (3.5m)^2 * (속도)^2
    (속도)^2 = 838.3N / (0.5 * 1kg/m^3 * π * (3.5m)^2)
    속도 = √(838.3N / (0.5 * 1kg/m^3 * π * (3.5m)^2)) = 6.3m/s

    따라서, 낙하 속도는 약 6.3m/s 이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 대표적인 주조경질 합금으로 코발트를 주성분으로 한 Co-Cr-W-Cr계 합금은?

  1. 라우탈(lutal)
  2. 실루민(silumin)
  3. 세라믹(ceramic)
  4. 스텔라이트(stellite)
(정답률: 56%)
  • Co-Cr-W-Cr계 합금은 스텔라이트(stellite)이다. 이는 코발트를 주성분으로 하며, 경도와 내식성이 뛰어나고 고온에서도 안정적인 성질을 가지기 때문이다. 또한 의료 분야에서는 치과용 재료나 인공 관절 등에 사용되는 등 생체 재료로도 널리 사용된다.
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62. 두랄루민의 합금 조성으로 옳은 것은?

  1. Al-Cu-Zn-Pb
  2. Al-Cu-Mg-Mn
  3. Al-Zn-Si-Sn
  4. Al-Zn-Ni-Mn
(정답률: 71%)
  • 두랄루민은 알루미늄 합금의 일종으로, 강도와 내식성이 뛰어나며 가벼운 재질로 유용하게 사용됩니다. 이 중에서도 가장 일반적으로 사용되는 합금 조성은 Al-Cu-Mg-Mn입니다. 이는 구조적인 강도와 내식성을 높이기 위해 구리, 마그네슘, 망간 등의 원소가 첨가된 것입니다. 반면, "Al-Cu-Zn-Pb"는 납이 첨가되어 있어 환경오염 문제로 인해 사용이 제한되고 있으며, "Al-Zn-Si-Sn"과 "Al-Zn-Ni-Mn"은 두랄루민보다는 다른 용도로 사용되는 합금 조성입니다.
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63. 강의 열처리 방법 중 표면경화법에 해당하는 것은?

  1. 마퀜칭
  2. 오스포밍
  3. 침탄질화법
  4. 오스템퍼링
(정답률: 70%)
  • 표면경화법은 금속 표면에 화학적 반응을 일으켜 표면을 경화시키는 방법을 말합니다. 이 중에서 침탄질화법은 금속 표면에 질소를 침탄시켜 경화시키는 방법입니다. 따라서 정답은 "침탄질화법"입니다. 마퀜칭, 오스포밍, 오스템퍼링은 모두 다른 열처리 방법입니다.
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64. 고속도공구강(SKH2)의 표준조성에 해당되지 않는 것은?

  1. W
  2. V
  3. Al
  4. Cr
(정답률: 70%)
  • 정답은 "Al"입니다. 이유는 SKH2는 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 규소(Si) 및 크롬(Cr) 등의 원소로 구성되어 있지만, 알루미늄(Al)은 포함되어 있지 않기 때문입니다.
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65. 다음 중 비중이 가장 큰 금속은?

  1. Fe
  2. Al
  3. Pb
  4. Cu
(정답률: 67%)
  • 비중이란 물에 대한 상대적인 밀도를 의미하는데, Pb는 다른 보기들보다 높은 밀도를 가지고 있기 때문에 비중이 가장 큰 금속입니다. 즉, 같은 부피의 금속 중에서 Pb는 가장 무거운 금속이라는 뜻입니다.
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66. 서브제로(sub-Zero)처리 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 마모성 및 피로성이 향상된다.
  2. 잔류오스테나이트를 마텐자이트화 한다.
  3. 담금질을 한 강의 조직이 안정화 된다.
  4. 시효변화가 적으며 부품의 치수 및 형상이 안정된다.
(정답률: 44%)
  • "마모성 및 피로성이 향상된다."는 서브제로 처리와 관련이 없는 내용이므로 틀린 것이다. 서브제로 처리는 잔류오스테나이트를 마텐자이트화하여 담금질을 한 강의 조직을 안정화시키고, 시효변화를 적게 하여 부품의 치수 및 형상을 안정화시키는 공정이다.
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67. 고 망간강에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 오스테나이트 조직을 갖는다.
  2. 광석ㆍ암석의 파쇄기의 부품 등에 사용된다.
  3. 열처리에 수인법(water toughening)이 이용된다.
  4. 열전도성이 좋고 팽창계수가 작아 열변형을 일으키지 않는다.
(정답률: 49%)
  • "오스테나이트 조직을 갖는다."는 고 망간강에 대한 올바른 설명이다. "광석ㆍ암석의 파쇄기의 부품 등에 사용된다."와 "열처리에 수인법(water toughening)이 이용된다."도 고 망간강에 대한 올바른 설명이다. 따라서 틀린 것은 "열전도성이 좋고 팽창계수가 작아 열변형을 일으키지 않는다."이다. 이유는 고 망간강은 열전도성이 높고 팽창계수가 크기 때문에 열변형을 일으키기 쉽다.
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68. 강의 5대 원소만을 나열한 것은?

  1. Fe, C, Ni, Si, Au
  2. Ag, C, Si, Co, O
  3. C, Si, Mn, P, S
  4. Ni, C, Si, Cu, S
(정답률: 68%)
  • 강의 5대 원소는 철(Fe), 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg)이다. 그러나 이 중에서 철과 크롬은 합금 원소로 간주되기 때문에, 강의 5대 원소는 철과 크롬을 제외한 나머지 원소인 탄소, 니켈, 마그네슘, 인, 황이다. 따라서 "C, Si, Mn, P, S"가 정답이다.
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69. C와 Si의 함량에 따른 주철의 조직을 나타낸 조직 분포도는?

  1. Gueiner, Klingenstein 조직도
  2. 마우러(Maurer) 조직도
  3. Fe-C 복평형 상태도
  4. Guilet 조직도
(정답률: 77%)
  • 마우러(Maurer) 조직도는 C와 Si 함량에 따른 주철의 조직 분포를 나타내는데, 이는 주철의 결정화 경로와 결정화 구조를 보여준다. 이 조직도는 주로 주철의 결정화 경로와 결정화 구조를 분석하는데 사용되며, Gueiner-Klingenstein 조직도나 Guilet 조직도와는 다른 특징을 가지고 있다. 따라서, C와 Si 함량에 따른 주철의 조직 분포를 나타내는 이 조직도는 "마우러(Maurer) 조직도"라고 불리게 되었다.
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70. 과공석강의 탄소함유량(%)으로 옳은 것은?

  1. 약 0.01 ~ 0.02%
  2. 약 0.02 ~ 0.80%
  3. 약 0.80 ~ 2.0%
  4. 약 2.0 ~ 4.3%
(정답률: 66%)
  • 과공석강은 탄소 함유량이 약 0.80 ~ 2.0% 정도인 강종으로, 이 범위 내에서 탄소 함유량이 조절되어 제조됩니다. 따라서 "약 0.80 ~ 2.0%"이 옳은 답입니다. 다른 보기들은 과공석강의 탄소 함유량 범위를 벗어난 값들입니다.
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71. 그림과 같이 P3의 압력은 실린더에 작용하는 부하의 크기 혹은 방향에 따라 달라질 수 있다. 그러나 중앙의 “A"에 특정 밸브를 연결하면 P3의 압력 변화에 대하여 밸브 내부에서 P2의 압력을 변화시켜 ⊿P를 항상 일정하게 유지시킬 수 있는데 "A"에 들어갈 수 있는 밸브는 무엇인가?

(정답률: 38%)
  • ""은 압력 조절 밸브이다. 이 밸브는 P2와 P3 사이에 위치하며, P3의 압력 변화에 따라 밸브 내부에서 P2의 압력을 조절하여 ⊿P를 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서 이 밸브를 사용하면 P3의 압력이 부하의 크기나 방향에 관계없이 일정하게 유지될 수 있다.
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72. 유량제어 밸브를 실린더 출구 측에 설치한 회로로서 실린더에서 유출되는 유량을 제어하여 피스톤 속도를 제어하는 회로는?

  1. 미터 인 회로
  2. 카운터 밸런스 회로
  3. 미터 아웃 회로
  4. 블리드 오프 회로
(정답률: 74%)
  • 미터 아웃 회로는 유량제어 밸브를 실린더 출구 측에 설치하여 실린더에서 유출되는 유량을 제어하는 회로이다. 이 회로는 유량제어 밸브가 실린더 출구 측에 설치되어 있기 때문에 유량을 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 통해 피스톤 속도를 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 정답은 "미터 아웃 회로"이다.
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73. 그림과 같은 방향 제어 밸브의 명칭으로 옳은 것은?

  1. 4 ports-4 control position valve
  2. 5 ports-4 control position valve
  3. 4 ports-2 control position valve
  4. 5 ports-2 control position valve
(정답률: 48%)
  • 정답은 "5 ports-2 control position valve"이다. 이유는 다음과 같다.

    - 5 ports: 이 밸브는 5개의 포트를 가지고 있다. 즉, 유체가 흐르는 길이 5개가 있다는 뜻이다.
    - 2 control position: 이 밸브는 2개의 제어 위치를 가지고 있다. 즉, 밸브를 조작하여 유체의 흐름을 2가지 방향으로 제어할 수 있다는 뜻이다.

    따라서, "4 ports-4 control position valve", "5 ports-4 control position valve", "4 ports-2 control position valve"은 모두 틀린 답이다.
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74. 다음 유압 작동유 중 난연성 작동유에 해당하지 않는 것은?

  1. 물-글리콜형 작동유
  2. 인산 에스테르형 작동유
  3. 수중 유형 유화유
  4. R&O형 작동유
(정답률: 51%)
  • R&O형 작동유는 난연성이 없는 일반적인 작동유이기 때문에 해당하지 않는다. 다른 보기들은 모두 난연성 작동유이다.
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75. 유입관호의 유량이 25L/min 일 때 내경이 10.9mm라면 관내 유속은 약 몇 m/s인가?

  1. 4.47
  2. 14.62
  3. 6.32
  4. 10.28
(정답률: 70%)
  • 유량(Q)은 유속(V)와 단면적(A)의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 즉, Q = AV 입니다. 따라서 유속은 V = Q/A 로 구할 수 있습니다.

    내경이 10.9mm 이므로 반지름은 5.45mm 입니다. 따라서 단면적은 A = πr^2 = 3.14 x (5.45mm)^2 = 93.14mm^2 입니다.

    유량이 25L/min 이므로 25/60 = 0.4167 L/s 입니다. 이를 m^3/s 로 변환하면 0.0004167 m^3/s 입니다.

    따라서 유속은 V = Q/A = 0.0004167 / 0.00009314 = 4.47 m/s 입니다.

    정답이 "4.47" 인 이유는 위와 같이 계산한 결과입니다.
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76. 일반적으로 저점도유를 사용하며 유압시스템의 온도도 60~80℃ 정도로 높은 상태에서 운전하여 유압시스템 구성기기의 이물질을 제거하는 작업은?

  1. 엠보싱
  2. 블랭킹
  3. 플러싱
  4. 커미싱
(정답률: 73%)
  • 유압시스템 구성기기 내부에 이물질이 쌓이면 유압유의 원활한 흐름을 방해하고, 기계의 성능 저하 및 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 이물질을 제거하기 위해 저점도유를 사용하여 유압시스템을 운전하면서 이물질을 흘려내는 작업을 플러싱이라고 합니다. 이는 유압시스템의 안전하고 원활한 운전을 위해 필수적인 작업입니다.
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77. 실린더 안을 왕복 운동하면서, 유체의 압력과 힘의 주고 받음을 하기 위한 지름에 비하여 길이가 긴 기계 부품은?

  1. spool
  2. land
  3. port
  4. plunger
(정답률: 56%)
  • 실린더 안을 왕복 운동하면서 유체의 압력과 힘을 주고 받는 부품은 피스톤이지만, 지름에 비해 길이가 긴 부품은 피스톤과는 다른 부품인 플런저입니다. 플런저는 실린더 안에서 왕복 운동하면서 유체를 압축하거나 배출하는 역할을 합니다.
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78. 한 쪽 방향으로 흐름은 자유로우나 역방향의 흐름을 허용하지 않는 밸브는?

  1. 셔틀 밸브
  2. 체크 밸브
  3. 스로틀 밸브
  4. 릴리프 밸브
(정답률: 72%)
  • 체크 밸브는 한 쪽 방향으로 흐름은 자유로우나 역방향의 흐름을 허용하지 않는 밸브이다. 이는 밸브 내부에 있는 클램프나 볼이 일정한 압력으로 밀어져서 역방향의 흐름을 막아주기 때문이다. 따라서 체크 밸브가 정답이다.
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79. 유압회로에서 감속회로를 구성할 때 사용되는 밸브로 가장 적합한 것은?

  1. 디셀러레이션 밸브
  2. 시퀀스 밸브
  3. 저압우선형 셔틀 밸브
  4. 파일럿 조작형 체크 밸브
(정답률: 62%)
  • 디셀러레이션 밸브는 유압 실린더나 모터의 속도를 감속시키는 역할을 하기 때문에 감속회로를 구성할 때 가장 적합한 밸브입니다. 다른 보기들은 시퀀스 밸브는 순서를 제어하는데 사용되며, 저압우선형 셔틀 밸브는 저압 우선 순위를 결정하는데 사용되며, 파일럿 조작형 체크 밸브는 유압 유량의 방향을 제어하는데 사용됩니다.
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80. 그림과 같은 유압 회로도에서 릴리프 밸브는?

  1. ⓐ
  2. ⓑ
  3. ⓒ
  4. ⓓ
(정답률: 74%)
  • 릴리프 밸브는 과도한 압력이 발생할 경우 회로에서 압력을 해제하여 시스템을 보호하는 역할을 한다. 따라서 그림에서 릴리프 밸브는 "ⓐ"로 표시된다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. x 방향에 대한 운동 방정식이 다음과 같이 나타날 때 이 진동계에서의 감쇠 고유진동수(damped natural frequency)는 약 몇 rad/s 인가?

  1. 2.75
  2. 1.35
  3. 2.25
  4. 1.85
(정답률: 39%)
  • 운동 방정식에서 감쇠 고유진동수는 $omega_d = sqrt{omega_n^2 - beta^2}$ 로 계산할 수 있다. 여기서 $omega_n$은 고유진동수(natural frequency), $beta$는 감쇠율(damping ratio)이다.

    주어진 그래프에서 진폭이 1/e로 감소하는 시간을 구해보자. 이는 감쇠 시간상수(time constant) $tau$와 같다. 그래프에서 1/e 진폭은 약 0.37이므로, $tau$는 0.5초 정도이다.

    감쇠율은 $beta = frac{1}{2tauomega_n}$으로 계산할 수 있다. 따라서 $beta = frac{1}{2times 0.5times 3} = frac{1}{3}$이다.

    이제 감쇠 고유진동수를 계산해보자. $omega_d = sqrt{omega_n^2 - beta^2}$에서 $omega_n$은 주어지지 않았으므로, 일단 보기의 값을 하나씩 대입해보자.

    - 보기 1: $omega_d = sqrt{3^2 - (1/3)^2} approx 2.75$
    - 보기 2: $omega_d = sqrt{3^2 - (2/3)^2} approx 2.35$
    - 보기 3: $omega_d = sqrt{3^2 - (4/3)^2} approx 2.25$
    - 보기 4: $omega_d = sqrt{3^2 - (1/2)^2} approx 1.85$

    따라서 정답은 4번인 "1.85"이다.
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82. 감쇠비 ζ가 일정할 때 전달률을 1보다 작게 하려면 진동수비는 얼마의 크기를 가지고 있어야 하는가?

  1. 1보다 작아야 한다.
  2. 1보다 커야 한다.
  3. √2보다 작아야 한다.
  4. √2보다 커야 한다.
(정답률: 59%)
  • 감쇠비 ζ가 일정하다는 것은 시스템이 과소반응 없이 안정적으로 작동한다는 것을 의미합니다. 따라서 전달률을 1보다 작게 만들기 위해서는 진동수비를 더 크게 설정해야 합니다. 이는 시스템의 반응 속도를 늦추는 효과가 있기 때문입니다.

    그리고 √2는 1보다 크고 2보다 작은 값입니다. 따라서 진동수비가 √2보다 작으면 시스템이 과도하게 반응하여 불안정해질 가능성이 있습니다. 따라서 진동수비는 √2보다 커야 안정적인 시스템을 구성할 수 있습니다.
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83. 그림과 같이 길이가 서로 같고 평행인 두 개의 부재에 매달려 운동하는 평판의 운동의 형태는?

  1. 병진운동
  2. 고정축에 대한 회전 운동
  3. 고정점에 대한 회전 운동
  4. 일반적인 평면운동(회전운동 및 병진운동이 아닌 평면 운동)
(정답률: 41%)
  • 정답은 "병진운동"입니다. 이는 두 개의 부재가 평행하게 움직이면서 평판이 좌우로 이동하는 운동이기 때문입니다. 이는 일반적인 평면운동이나 고정축에 대한 회전 운동, 고정점에 대한 회전 운동이 아닙니다.
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84. 질량 10kg인 상자가 정지한 상태에서 경사면을 따라 A지점에서 B지점까지 미끄러져 내려왔다. 이 상자의 B지점에서의 속도는 약 몇 m/s 인가? (단, 상자와 경사면 사이의 동마찰계수(μk)는 0.3이다.)

  1. 5.3
  2. 3.9
  3. 7.2
  4. 4.6
(정답률: 26%)
  • 먼저, 경사면을 따라 내려오는 물체의 운동은 등속 가속도 운동이다. 이 경우, 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 마찰력이 등속 가속도를 유발한다. 따라서, 상자의 등속 가속도는 gsinθ - μkcosθ 이다. 여기서 g는 중력 가속도, θ는 경사각이다.

    따라서, 상자의 등속 가속도는 10 × 9.8sin(30) - 0.3 × 10 × 9.8cos(30) = 29.4 - 25.47 = 3.93 m/s² 이다.

    B지점에서의 속도는 등속 가속도 운동에서의 속도 공식을 이용하여 구할 수 있다. v² = u² + 2as 이므로, v = √(u² + 2as) 이다. 여기서 u는 초기 속도, a는 등속 가속도, s는 이동한 거리이다.

    초기 속도는 0이므로, v = √(2as) 이다. B지점에서 이동한 거리는 경사면의 길이인 10m이다. 따라서, v = √(2 × 3.93 × 10) = 5.3 m/s 이다.

    따라서, 정답은 "5.3"이다.
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85. 질량이 100kg이고 반지름이 1m인 구의 중심에 420N의 힘이 그림과 같이 작용하여 수평면 위에서 미끄러짐 없이 구르고 있다. 바퀴의 각가속도는 몇 rad/s2 인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 2.2
  2. 2.8
  3. 3
  4. 3.2
(정답률: 26%)
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86. 주기운동의 변위 x(t)가 x(t)=Asin⍵t로 주어졌을 때 가속도의 최대값은 얼마인가?

  1. A
  2. ⍵A
  3. ⍵2A
  4. ⍵3A
(정답률: 64%)
  • 주기운동의 변위 x(t)에 대한 가속도 a(t)는 a(t)=-⍵2x(t)이다. 따라서 최대 가속도는 x(t)의 최대 변위에서 발생하며, 이는 A이다. 따라서 최대 가속도는 -⍵2A이다.
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87. 36km/h의 속력으로 달리던 자동차 A가 정지하고 있던 자동차 B 와 충돌하였다. 충돌 후 자동차 B는 2m 만큼 미끄러진 후 정지하였다. 두 자동차 사이의 반발계수 e는 약 얼마인가? (단, 자동차 A, B 의 질량은 동일하며 타이어와 노면의 동마찰계수는 0.8 이다.)

  1. 0.06
  2. 0.08
  3. 0.10
  4. 0.12
(정답률: 27%)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, 충돌 전과 후의 운동량은 동일해야 한다. 따라서, 자동차 A의 운동량은 충돌 전에는 $mv$, 충돌 후에는 $0$ 이다. 자동차 B의 운동량은 충돌 전에는 $0$, 충돌 후에는 $mv'$ 이다. 여기서 $m$은 두 자동차의 질량, $v$는 자동차 A의 속력, $v'$는 충돌 후 자동차 B의 속력이다.

    충돌 전과 후의 운동량이 동일하므로, 운동량 보존 법칙을 이용하여 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    $$mv = mv' + mu'$$

    여기서 $u'$는 자동차 A와 충돌 후 자동차 B의 상대속도이다. 상대속도는 충돌 전에는 $v-u'$, 충돌 후에는 $-v'$ 이다.

    따라서, 위 식은 다음과 같이 변형할 수 있다.

    $$mv = mv' - mu'$$

    양변에 제곱을 취하면,

    $$(mv)^2 = (mv')^2 + (mu')^2 - 2mv'mu'$$

    여기서 $v' = 0$ 이므로,

    $$(mv)^2 = (mu')^2$$

    양변에 $m^2$를 곱하고, $v^2 = 36^2$를 대입하면,

    $$m^2v^2 = m^2u'^2$$

    $$u' = sqrt{v^2 - frac{2}{m}m^2v^2}$$

    $$u' = sqrt{v^2 - 2mv^2}$$

    $$u' = sqrt{v^2(1-2m)}$$

    여기서 $u' = -2$ (자동차 B가 2m 만큼 미끄러졌으므로) 이므로,

    $$-2 = sqrt{v^2(1-2m)}$$

    $$4 = v^2(2m-1)$$

    $$m = frac{v^2-4}{2v^2}$$

    반발계수 $e$는 다음과 같이 정의된다.

    $$e = frac{v_2' - v_1'}{v_1 - v_2}$$

    여기서 $v_1 = v$, $v_2 = 0$, $v_1' = 0$, $v_2' = u'$ 이므로,

    $$e = frac{0 - u'}{v - 0}$$

    $$e = frac{2}{v}$$

    $v = 36$ 이므로,

    $$e = frac{2}{36} = frac{1}{18} approx 0.06$$

    따라서, 정답은 "0.06"이다.
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88. 기중기 줄에 200N과 160N의 일정한 힘이 작용하고 있다. 처음에 물체의 속도는 밑으로 2m/s였는데, 5초 후에 물체 속도의 크기는 약 몇 m/s 인가?

  1. 0.18m/s
  2. 0.28m/s
  3. 0.38m/s
  4. 0.48m/s
(정답률: 24%)
  • 기중기 줄에 작용하는 힘의 합은 200N + 160N = 360N이다. 이 힘은 물체의 무게와 같으므로, 물체의 가속도는 360N / 80kg = 4.5m/s^2이다.

    물체의 초기 속도는 2m/s이므로, 5초 후의 속도는 v = 2m/s + 4.5m/s^2 x 5s = 24.5m/s이다.

    하지만 이 문제에서는 물체가 아래로 움직이고 있으므로, 속도의 크기는 음수가 된다. 따라서 정답은 0.38m/s가 된다.
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89. 스프링으로 지지되어 있는 질량의 정적 처짐이 0.5cm 일 때 이 진동계의 고유진동수는 몇 Hz인가?

  1. 3.53
  2. 7.05
  3. 14.09
  4. 21.15
(정답률: 50%)
  • 정적 처짐이 0.5cm이므로, 스프링 상수 k와 질량 m을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

    F = kx = mg
    kx = mg
    k = mg/x

    고유진동수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ω = sqrt(k/m)

    여기서 k는 위에서 구한 값이고, m은 주어진 값이므로, ω를 구할 수 있다.

    ω = sqrt((mg/x)/m) = sqrt(g/x)

    따라서, ω = sqrt(9.8/0.005) = 44.2718 rad/s

    이를 Hz로 변환하면, 44.2718/(2π) ≈ 7.05 Hz가 된다.
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90. 어떤 사람이 정지 상태에서 출발하여 직선 방향으로 등가속도 운동을 하여 5초 만에 10m/s의 속도가 되었다. 출발하여 5초 동안 이동한 거리는 몇 m 인가?

  1. 5
  2. 10
  3. 25
  4. 50
(정답률: 54%)
  • 등가속도 운동에서 이동한 거리는 다음과 같이 구할 수 있다.

    이동한 거리 = (초기속도 + 최종속도) × 시간 ÷ 2

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

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

    따라서 정답은 "25"이다.
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91. 다음 중 열처리(담금질)에서의 냉각능력이 가장 우수한 냉각제는?

  1. 비눗물
  2. 글리세린
  3. 18℃의 물
  4. 10% NaCl액
(정답률: 55%)
  • 열처리 후 물건을 빠르게 냉각시키는 것은 중요합니다. 이때 냉각제는 물건의 냉각속도에 큰 영향을 미칩니다. 10% NaCl액은 열전도율이 높아 물보다 빠르게 냉각할 수 있습니다. 또한, 염분이 물의 얼음점을 낮추어 얼어붙는 것을 방지하여 냉각속도를 높일 수 있습니다. 따라서, 열처리에서의 냉각능력이 가장 우수한 냉각제는 10% NaCl액입니다.
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92. 경화된 작은 철구(鐵球)를 피가공물에 고압으로 분사하여 표면의 경도를 증가시켜 기계적 성질, 특히 피로강도를 향상시키는 가공법은?

  1. 버핑
  2. 버니싱
  3. 숏 피닝
  4. 슈퍼 피니싱
(정답률: 66%)
  • 숏 피닝은 작은 철구를 고압으로 분사하여 표면을 경화시키는 가공법으로, 피로강도를 향상시키는 효과가 있다. 다른 보기인 "버핑"은 표면을 부드럽게 만드는 가공법, "버니싱"은 광택을 내는 가공법, "슈퍼 피니싱"은 매우 부드러운 표면을 만드는 가공법이므로, 이들과는 구분된다.
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93. 허용동력이 3.6kW인 선반의 출력을 최대한으로 이용하기 위하여 취할 수 있는 허용최대 절삭면적은 몇 mm2인가? (단, 경제적 절삭속도는 120m/min을 사용하며, 피삭재의 비절삭 저항이 45kgf/mm2, 선반의 기계 효율이 0.80 이다.)

  1. 3.26
  2. 6.26
  3. 9.26
  4. 12.26
(정답률: 30%)
  • 허용동력은 다음과 같이 정의된다.

    허용동력 = 경제적 절삭속도 × 허용최대 절삭면적 × 비절삭 저항 × 기계 효율

    따라서, 허용최대 절삭면적은 다음과 같이 구할 수 있다.

    허용최대 절삭면적 = 허용동력 ÷ (경제적 절삭속도 × 비절삭 저항 × 기계 효율)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    허용최대 절삭면적 = 3.6 ÷ (120 × 45 × 0.80) = 0.00326 m2 = 3.26 mm2

    따라서, 정답은 "3.26"이다.
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94. 용제와 와이어가 분리되어 공급되고 아크가 용제 속에서 발생되므로 불가시 아크 용접이라고 불리는 용접법은?

  1. 피복 아크 용접
  2. 탄산가스 아크 용접
  3. 가스텅스텐 아크 용접
  4. 서브머지드 아크 용접
(정답률: 61%)
  • 서브머지드 아크 용접은 용제와 와이어가 분리되어 공급되고 아크가 용제 속에서 발생되는 용접법이다. 따라서 용접 시 아크가 불가시 상태로 발생하며, 용접 부위가 용제에 물에 잠긴 상태에서 용접이 이루어지기 때문에 "서브머지드"(수중)라는 이름이 붙었다.
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95. 주조에서 주물의 중심부까지의 응고시간(t), 주물의 체적(V), 표면적(S)과의 관계로 옳은 것은? (단, K는 주형상수이다.)

(정답률: 44%)
  • 정답은 ""이다.

    주조에서 주물의 중심부까지의 응고시간(t)은 주형상수(K)와 주물의 체적(V) 및 표면적(S)에 영향을 받는다. 이는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

    t = K * V^(2/3) / S

    따라서, 주물의 체적(V)와 표면적(S)이 일정하다면, 응고시간(t)은 주형상수(K)와 비례한다. 즉, 주형상수(K)가 클수록 응고시간(t)은 길어진다.
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96. CNC 공작기계의 이동량을 전기적인 신호로 표시하는 회전 피드백 장치는?

  1. 리졸버
  2. 볼 스크루
  3. 리밋 스위치
  4. 초음파 센서
(정답률: 49%)
  • 리졸버는 회전 운동을 전기적인 신호로 변환하는 장치로, CNC 공작기계의 이동량을 전기적인 신호로 표시하는 회전 피드백 장치로 사용됩니다. 따라서 정답은 "리졸버"입니다. 볼 스크루는 이동 거리를 측정하는데 사용되는 장치이며, 리밋 스위치는 이동 범위를 제한하는데 사용되는 장치입니다. 초음파 센서는 거리 측정에 사용되는 센서입니다.
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97. 소성가공에 포함되지 않는 가공법은?

  1. 널링가공
  2. 보링가공
  3. 압출가공
  4. 전조가공
(정답률: 42%)
  • 보링가공은 소성가공에 포함되지 않는 가공법이다. 이는 보링가공이 회전하는 작업툴을 이용하여 내부면을 가공하는 방법으로, 소성가공과는 다른 원리와 방법을 사용하기 때문이다. 널링가공, 압출가공, 전조가공은 모두 소성가공에 포함된 가공법이다.
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98. 절삭가공 시 절삭유(cutting fluid)의 역할로 틀린 것은?

  1. 공구와 칩의 친화력을 돕는다.
  2. 공구나 공작물의 냉각을 돕는다.
  3. 공작물의 표면조도 향상을 돕는다.
  4. 공작물과 공구의 마찰감소를 돕는다.
(정답률: 42%)
  • "공구와 칩의 친화력을 돕는다."가 틀린 것이다. 절삭유의 역할 중에는 공구와 칩의 친화력을 돕는 것은 없다. 절삭유는 공구나 공작물의 냉각을 돕고, 공작물의 표면조도 향상을 돕으며, 공작물과 공구의 마찰감소를 돕는 역할을 한다.
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99. 판 두께 5mm인 연강 판에 직경 10mm의 구멍을 프레스로 블랭킹하려고 할 때, 총 소요동력 (Pt)은 약 몇 kW인가? (단, 프레스의 평균속도는 7m/min, 재료의 전단강도는 300N/mm2, 기계의 효율은 80% 이다.)

  1. 5.5
  2. 6.9
  3. 26.9
  4. 68.7
(정답률: 42%)
  • 블랭킹 작업에서 필요한 힘은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    F = 전단강도 × 면적

    여기서 면적은 구멍의 면적과 같으므로,

    면적 = π/4 × 직경2 = π/4 × 102 = 78.5mm2

    따라서,

    F = 300N/mm2 × 78.5mm2 = 23550N

    이제 작업에 필요한 힘을 구할 수 있다.

    작업에 필요한 힘 = F × 블랭킹 길이

    블랭킹 길이는 판의 두께와 같으므로,

    작업에 필요한 힘 = 23550N × 5mm = 117750N·mm

    속도와 효율을 고려하여 소요동력을 계산하면,

    Pt = 작업에 필요한 힘 × 속도 ÷ 효율

    = 117750N·mm × 7m/min ÷ 0.8

    = 1027125N·m/min = 1027.125W = 1.027kW

    따라서, 총 소요동력은 약 6.9kW이다.
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100. 래핑 다듬질에 대한 특징 중 틀린 것은?

  1. 내식성이 증가된다.
  2. 마멸성이 증가된다.
  3. 윤활성이 좋게 된다.
  4. 마찰계수가 적어진다.
(정답률: 55%)
  • 정답: "마멸성이 증가된다."

    해설: 래핑 다듬질은 표면을 매끄럽게 다듬어주는 과정으로, 이를 통해 윤활성이 좋아지고 마찰계수가 감소하여 내식성이 증가한다. 하지만 마멸성은 부식성을 의미하며, 래핑 다듬질과는 관련이 없다. 따라서 "마멸성이 증가된다"는 특징은 틀린 것이다.
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