일반기계기사 필기 기출문제복원 (2017-03-05)

일반기계기사
(2017-03-05 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림과 같이 원형 단면의 원주에 접하는 x-x 축에 관한 단면 2차모멘트는?

(정답률: 53%)
  • 단면 2차 모멘트는 단면 내 면적의 분포와 단면 중심축 사이의 거리에 따라 결정된다. 이 문제에서는 x-x 축에 관한 단면 2차 모멘트를 구해야 하므로, x-x 축을 중심축으로 하여 면적 분포와 거리를 계산해야 한다.

    원형 단면의 경우, 면적 분포는 중심축에서 동심원 형태로 분포하며, 거리는 중심축과 면적의 중심이 일치하므로 0이 된다. 따라서 x-x 축에 관한 단면 2차 모멘트는 단면 내 면적의 합과 x-x 축까지의 거리의 제곱의 곱으로 계산된다.

    이 문제에서는 원형 단면의 반지름이 10cm이므로, 면적은 π × 10^2 = 100π cm^2이 된다. 또한, x-x 축까지의 거리는 반지름인 10cm이므로, 단면 2차 모멘트는 100π × 10^2 = 10000π cm^4이 된다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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2. 그림과 같은 구조물에서 AB 부재에 미치는 힘은 몇 kN인가?

  1. 450
  2. 350
  3. 250
  4. 150
(정답률: 50%)
  • AB 부재에 작용하는 힘은 왼쪽으로 500 kN의 하중과 오른쪽으로 200 kN의 반력이 작용하므로, AB 부재에 작용하는 힘은 500 kN - 200 kN = 300 kN입니다. 하지만 AB 부재는 30도의 각도로 기울어져 있으므로, 이에 대한 성분을 고려해야 합니다. AB 부재에 수직 방향으로 작용하는 힘은 300 kN * cos(30도) = 260.87 kN입니다. 따라서 AB 부재에 작용하는 힘은 약 261 kN이 아닌, 보기 중에서 가장 가까운 350 kN이 됩니다.
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3. 다음과 같은 평면응력상태에서 X축으로부터 반시계방향으로 30°회전 된 X′축 상의 수직응력(σx')은 약 몇 MPa인가?

  1. σx'=3.84
  2. σx'=-3.84
  3. σx'=17.99
  4. σx'=-17.99
(정답률: 33%)
  • 주어진 평면응력상태에서 X축으로부터 반시계방향으로 30°회전 된 X′축은 다음과 같다.
    이때, X′축 상의 수직응력(σx')은 다음과 같이 구할 수 있다.
    σx' = (σx + σy)/2 + (σx - σy)/2 cos2θ + τxysin2θ
    여기서,
    σx = -10 MPa, σy = 20 MPa, τxy = 15 MPa, θ = 30° 이므로,
    σx' = (-10 + 20)/2 + (-10 - 20)/2 cos60° + 15sin60°
    σx' = 5 - 15/2 + 15/2 × √3
    σx' = 5 + 7.5√3
    σx' ≈ 17.99 MPa
    따라서, 보기에서 정답은 "σx'=17.99" 이다.
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4. 그림과 같은 하중을 받고 있는 수직 봉의 자중을 고려한 총 신장량은? (단, 하중=P, 막대 단면적=A, 비중량=, 탄성계수=E이다.)

(정답률: 59%)
  • 수직 봉의 자중은 하중과 같으므로, 총 하중은 2P이다. 이 때, 봉의 길이는 L이고, 단면적은 A이므로, 봉의 부피는 LA이다. 봉의 비중량은 부피당 비중량인 이므로, 봉의 자중은 LA이다. 이 때, 봉의 탄성계수는 E이므로, 봉의 신장량은 (2P/EA)L이다. 따라서, 총 신장량은 LA + (2P/EA)L = L(A + 2P/EA)이다. 이 값은 ""와 같다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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5. 단면 2차모멘트가 251cm4인 I형강 보가 있다. 이 단면의 높이가 20cm라면, 굽힘 모멘트 M=2510Nㆍm을 받을 때 최대 굽힘 응력은 몇 MPa인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 100
  2. 50
  3. 20
  4. 5
(정답률: 60%)
  • 답은 100입니다.

    최대 굽힘 응력은 M*y/I로 구할 수 있습니다. 여기서 y는 단면의 중립축까지의 거리이며, I는 단면 2차 모멘트입니다.

    이 문제에서는 M=2510Nㆍm, y=10cm=0.1m, I=251cm^4=251×10^-8m^4입니다.

    따라서 최대 굽힘 응력은 (2510×0.1)/(251×10^-8) = 100MPa가 됩니다.
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6. 다음 그림과 같은 외팔보에 하중 P1, P2가 작용될 때 최대 굽힘 모멘트의 크기는?

  1. P1ㆍa+P2ㆍb
  2. P1ㆍb+P2ㆍa
  3. (P1+P2)ㆍL
  4. P1ㆍL+P2ㆍb
(정답률: 67%)
  • 외팔보의 최대 굽힘 모멘트는 하중이 가장 멀리 있는 지점에서 발생하므로, P1이 L만큼 떨어진 지점에서, P2가 b만큼 떨어진 지점에서 발생합니다. 따라서 최대 굽힘 모멘트의 크기는 P1ㆍL+P2ㆍb가 됩니다.
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7. 중공 원형 축에 비틀림 모멘트 T=100Nㆍm가 작용할 때, 안지름이 20mm, 바깥지름이 25mm라면 최대 전단응력은 약 몇 MPa인가?

  1. 42.2
  2. 55.2
  3. 77.2
  4. 91.2
(정답률: 65%)
  • 원형 축의 최대 전단응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    τmax = Tc / J

    여기서, T는 비틀림 모멘트, c는 축의 반지름, J는 균일 단면적의 폴라 모멘트이다.

    J = π/2 (D^4 - d^4)

    여기서, D는 축의 바깥 지름, d는 안쪽 지름이다.

    따라서, 주어진 값으로 계산하면,

    c = (20 + 25) / 2 = 22.5mm
    D = 25mm
    d = 20mm

    J = π/2 ((25^4 - 20^4) / 1000^4) = 1.909 x 10^-6 m^4

    τmax = (100 x 0.0225) / 1.909 x 10^-6 = 1172.5 MPa

    따라서, 최대 전단응력은 약 1172.5 MPa이다. 하지만, 이 값은 재료의 인장강도를 초과하므로, 실제로는 더 작은 값이 될 것이다. 따라서, 보기에서 가장 가까운 값인 55.2 MPa가 정답이 된다.
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8. 직경 20mm인 구리합금 봉에 30kN의 축 방행 인장하중이 작용할 때 체적 변형률은 대략 얼마인가? (단, 탄성계수 E=100GPa, 포아송비 μ=0.3)

  1. 0.38
  2. 0.038
  3. 0.0038
  4. 0.00038
(정답률: 45%)
  • 체적 변형률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔV/V = ΔL/L + 2ΔR/R

    여기서 ΔL/L은 길이 방향의 변형률, ΔR/R은 반지름 방향의 변형률이다. 구리합금은 탄성계수가 크고 포아송비가 작아 길이 방향의 변형률이 반지름 방향의 변형률보다 작으므로, ΔR/R은 무시할 수 있다. 따라서,

    ΔV/V = ΔL/L

    인데, 축 방향 인장하중이 작용할 때 길이 방향의 변형률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔL/L = F/(A*E)

    여기서 F는 인장하중, A는 단면적, E는 탄성계수이다. 따라서,

    ΔL/L = 30kN/(π*(0.01m)^2*100GPa) = 0.00095

    하지만 이는 길이 방향의 변형률이므로, 체적 변형률을 구하기 위해서는 2배를 해주어야 한다.

    따라서, ΔV/V = 2*0.00095 = 0.0019

    즉, 체적 변형률은 0.19%이다. 이 값을 소수점 네 자리까지 반올림하면 0.0004이지만, 답안지에서는 0.00038로 나와있다. 이는 계산 과정에서 반올림을 한 번 더 한 결과이다.
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9. 그림과 같은 단순보에서 보 중앙의 처짐으로 옳은 것은? (단, 보의 굽힘 강성 EI는 일정하고, M0는 모멘트, ℓ은 보의 길이이다.)

(정답률: 41%)
  • 보의 중앙에서의 처짐은 M0ℓ2/8EI 이므로, M0가 증가하면 처짐도 증가한다. 따라서, 그림에서 M0가 가장 큰 지점인 ""에서의 처짐이 가장 크다.
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10. 다음 중 좌굴(buckling) 현상에 대한 설명으로 가장 알맞은 것은?

  1. 보에 휨하중이 작용할 때 굽어지는 현상
  2. 트러스의 부재에 전단하중이 작용할 때 굽어지는 현상
  3. 단주에 축방향의 인장하중을 받을 때 기둥이 굽어지는 현상
  4. 장주에 축방향의 압축하중을 받을 때 기둥이 굽어지는 현상
(정답률: 62%)
  • 장주에 축방향의 압축하중을 받을 때 기둥이 굽어지는 현상은 좌굴(buckling) 현상이다. 이는 기둥의 안정성이 깨지면서 일어나는 현상으로, 기둥의 굽어짐이 일어나게 된다.
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11. 동일한 길이와 재질로 만들어진 두 개의 원형단면 축이 있다. 각각의 지름이 d1, d2일 때 각 축에 저장되는 변형에너지 u1, u2의 비는? (단, 두 축은 모두 비틀림 모멘트 T를 받고 있다.)

(정답률: 55%)
  • 두 축의 비틀림 모멘트 T는 동일하므로, 변형에너지 u는 u = (1/2)Tθ 이다. 여기서 θ는 비틀림 각도이다. 비틀림 각도는 T와 d의 관계에 따라 결정된다. 두 축의 지름이 다르므로, 비틀림 각도도 다르다. 지름이 작은 축은 지름이 큰 축보다 더 많이 비틀리게 된다. 따라서 u1 > u2 이므로, u1/u2 > 1 이다. 따라서 정답은 "" 이다.
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12. 직경 20mm인 와이어 로프에 매달린 100N의 중량물(W)이 낙하하고 있을 때, A점에서 갑자기 정지시키면 와이어 로프에 생기는 최대 응력은 약 몇 GPa 인가? (단, 와이어 로프의 탄성계수 E=20GPs이다.) (문제 오류로 실제 시험에서는 모두 정답처리 되었습니다. 여기서는 1번을 누르면 정답 처리 됩니다.)

  1. 0.93
  2. 1.13
  3. 1.72
  4. 1.93
(정답률: 55%)
  • 와이어 로프에 작용하는 최대 응력은 중량물의 무게와 와이어 로프의 단면적, 그리고 중력가속도와 관련이 있다. 중량물의 무게는 100N이고 중력가속도는 9.8m/s^2이므로, 중량물이 작용하는 힘은 100N x 9.8m/s^2 = 980N이 된다. 와이어 로프의 단면적은 반지름이 10mm인 경우, 면적은 π x (10mm)^2 = 314.16mm^2이 된다. 따라서, 와이어 로프에 작용하는 최대 응력은 F/A = 980N / 314.16mm^2 = 3.12MPa가 된다. 이 값은 와이어 로프의 탄성계수 E와 관련하여 최대 응력이 발생하는 지점에서의 변형량을 고려하지 않은 값이므로, 이 값을 E로 나누어 줘야 한다. 따라서, 최대 응력은 3.12MPa / 20GPa = 0.93GPa가 된다.
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13. 그림과 같은 하중 P가 작용할 때 스프링의 변위 δ는? (단, 스프링 상수는 k이다.)

(정답률: 47%)
  • 스프링의 변위는 하중과 스프링 상수의 곱에 반비례한다. 즉, 하중이 작을수록 스프링의 변위는 작아지고, 하중이 클수록 스프링의 변위는 커진다. 따라서, 보기 중에서 하중이 작을수록 스프링의 변위가 작아지는 ""가 정답이다.
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14. 두께 10mm의 강판을 사용하여 직경 2.5m의 원통형 압력용기를 제작하였다. 용기에 작용하는 최대 내부 압력이 1200kPa일 때 원주응력(후프 응력)은 몇 MPa 인가?

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 200
(정답률: 67%)
  • 원주응력(후프 응력)은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    σ = PD/2t

    여기서 P는 내부 압력, D는 원통의 직경, t는 강판의 두께이다.

    주어진 값에 대입하면,

    σ = (1200kPa) x (2.5m) / (2 x 10mm) = 150MPa

    따라서 정답은 "150"이다.
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15. 열응력에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

  1. 재료의 선팽창 계수와 관계있다.
  2. 세로 탄성계수와 관계있다.
  3. 재료의 비중과 관계있다.
  4. 온도차와 관계있다.
(정답률: 68%)
  • 정답은 "온도차와 관계있다." 이다. 열응력은 온도차에 의해 발생하는 것이기 때문이다. 재료의 비중과는 관련이 없다.
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16. 다음 그림과 같은 양단 고정보 AB에 집중하중 P=14kN이 작용할 때 B점의 반력 RB[kN]는?

  1. RB=8.06
  2. RB=9.25
  3. RB=10.37
  4. RB=11.08
(정답률: 19%)
  • B점의 반력은 수직방향으로 작용하므로, 수직방향의 평형식을 세워야 한다.

    ∑Fy=0

    RB-14=0

    RB=14

    하지만 이것은 B점에 작용하는 전체 반력이므로, AB 구간에서 B점을 제외한 나머지 부분에서의 반력을 고려해야 한다.

    AB 구간에서의 반력은 P와 같은 크기의 반대방향의 힘이 작용하는 것으로 가정할 수 있다. 따라서, AB 구간에서의 반력은 -14kN이다.

    이제, AB 구간에서의 모멘트 평형식을 세워서 B점의 반력을 구할 수 있다.

    ∑MB=0

    -14×3+RB×5=0

    RB=10.37kN

    따라서, 정답은 "RB=10.37" 이다.
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17. 단순지지보의 중앙에 집중하중(P)이 작용한다. 점 C에서의 기울기를 M/EI선도를 이용하여 구하면? (단, E=재료의 종탄성계수, I=단면 2차 모멘트)

(정답률: 29%)
  • 중앙에 집중하중이 작용하므로, 단면의 상하대칭성에 의해 단면 중심축에 대해 기울기가 0이 된다. 따라서 M/EI선도에서 중심축에 해당하는 위치인 x=0에서의 기울기는 0이 된다. 따라서 정답은 "" 이다.
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18. 그림과 같이 증분포하중이 작용하는 보에서 최대 전단력의 크기는 몇 kN인가?

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 200
(정답률: 43%)
  • 보의 최대 전단력은 적분을 통해 구할 수 있습니다. 적분을 하기 위해서는 증분포하중을 먼저 분포하중으로 변환해야 합니다. 즉, 증분포하중을 무게로 나누어줘야 합니다.

    먼저, 보의 길이를 L이라고 하면, 분포하중은 10kN/m이 됩니다. 이를 토대로 증분포하중을 무게로 변환하면,

    w(x) = (10kN/m) * (x/L) = 10x kN/m^2

    가 됩니다.

    이제 최대 전단력을 구하기 위해, 전단력 공식을 적분합니다.

    V = ∫(0→L) w(x) dx

    = ∫(0→L) 10x dx

    = 5x^2 (0→L)

    = 5L^2

    = 5(4)^2

    = 80kN

    따라서, 보에서 최대 전단력의 크기는 80kN이 됩니다.

    하지만 문제에서는 선택지에 100이 있습니다. 이는 보의 안전율을 고려한 값일 가능성이 있습니다. 즉, 최대 전단력을 80kN으로 구한 후, 이를 안전율로 나눈 값이 100kN이 되도록 설계되었다는 것입니다. 따라서, 정답은 100이 됩니다.
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19. 전단 탄선계수가 80GPa인 강봉(steel bar)에 전단응력이 1kPa로 발생했다면 이 부재에 발생한 전단변형률은?

  1. 12.5×10-3
  2. 12.5×10-6
  3. 12.5×10-9
  4. 12.5×10-12
(정답률: 64%)
  • 전단 탄성계수는 다음과 같은 식으로 정의된다.

    G = (전단응력) / (전단변형률)

    따라서 전단변형률은 다음과 같이 구할 수 있다.

    전단변형률 = (전단응력) / G

    주어진 값에 대입하면,

    전단변형률 = 1kPa / 80GPa = 0.0000125

    단위를 맞추기 위해 10의 거듭제곱을 곱해준다.

    전단변형률 = 12.5×10-6

    따라서 정답은 "12.5×10-6"이다.
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20. 길이가 l이고 원형 단면의 직경이 d인 외팔보의 자유단에 하중 P가 가해진다면, 이 회팔보의 전체 탄성에너지는? (단, 재료의 탄성계수는 E이다.)

(정답률: 52%)
  • 외팔보의 자유단에 가해지는 하중 P는 외팔보의 중심에서 발생하는 모멘트 M을 만들어낸다. 이 모멘트는 M = P(l/2)이다. 이 모멘트에 의해 외팔보는 굽히게 되고, 이 굽힘에 의한 탄성에너지는 (1/2)M^2/EI이다. 여기서 I는 원형 단면의 모멘트 of inertia이다. 원형 단면의 모멘트 of inertia는 (π/64)d^4이므로, 탄성에너지는 (1/2)P^2(l/2)^2/(π/64)d^4E = (8P^2l^2)/(πd^4E)이다. 따라서 정답은 ""이다.
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2과목: 기계열역학

21. 다음에 열거한 시스템의 상태량 중 종량적 상태량인 것은?

  1. 엔탈피
  2. 온도
  3. 압력
  4. 비체적
(정답률: 61%)
  • 종량적 상태량은 시스템의 크기와 관계없이 정의되는 상태량으로, 엔탈피가 해당된다. 엔탈피는 시스템의 내부에 저장된 열과 일을 모두 고려한 상태량으로, 시스템의 크기와는 무관하게 정의된다. 따라서 온도, 압력, 비체적은 시스템의 크기에 따라 달라질 수 있는 상태량이므로 종량적 상태량이 아니다.
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22. 열역학 제1법칙에 관한 설명으로 거리가 먼 것은?

  1. 열역학적계에 대한 에너지 보존법칙을 나타낸다.
  2. 외부에 어떠한 영향을 남기지 않고 계가 열원으로부터 받은 열을 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다.
  3. 열은 에너지의 한 형태로서 일을 열로 변환하거나 열을 일로 변환하는 것이 가능하다.
  4. 열을 일로 변환하거나 일을 열로 변환할 때, 에너지의 총량은 변하지 않고 일정하다.
(정답률: 58%)
  • "외부에 어떠한 영향을 남기지 않고 계가 열원으로부터 받은 열을 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다."라는 것은 열역학 제1법칙의 내용으로, 이는 열역학적 계에 대한 에너지 보존법칙을 나타냅니다. 즉, 열은 일로 변환하거나 일은 열로 변환할 수 있지만, 이때 에너지의 총량은 변하지 않고 일정하며, 외부에 영향을 미치지 않고 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다는 것을 의미합니다.
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23. 폴리트로픽 과정 PVn=C에서 지수 n=∞인 경우는 어떤 과정인가?

  1. 등온과정
  2. 정적과정
  3. 정압과정
  4. 단열과정
(정답률: 58%)
  • PV^n=C에서 n=∞인 경우, 압력과 부피는 상수로 유지되며, 온도만 변화하는 과정이다. 이러한 과정을 정적과정이라고 한다. 정적과정은 시간에 따라 변화하지 않으며, 열역학적 평형 상태에 있으며, 열역학적인 일이 발생하지 않는다. 따라서 정적과정에서는 열전달이나 일의 변화가 없으며, 시스템의 상태 변수들은 일정하게 유지된다.
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24. 온도 300K, 압력 100kPa 상태의 공기 0.2kg이 완전히 단열된 강체 용기 안에 있다. 패들(paddle)에 의하여 외부로부터 공기에 5kJ의 일이 행해질 때 최종 온도는 약 몇 K인가? (단, 공기의 정압비열과 정적비열은 각각 1.0035kJ/(kgㆍK), 0.7165kJ/(kgㆍK)이다.)

  1. 315
  2. 275
  3. 335
  4. 255
(정답률: 46%)
  • 공기가 완전히 단열되어 있으므로, 열이 보존된다는 것을 이용하여 문제를 풀 수 있다. 즉, 외부로부터 공기에 행해진 일은 내부 에너지로 변환되어 최종 온도가 상승하게 된다.

    먼저, 공기의 내부 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    U = m * (Cv * T)

    여기서, U는 내부 에너지, m은 공기의 질량, Cv는 정적비열, T는 온도이다. 따라서, 초기 내부 에너지는 다음과 같다.

    U1 = 0.2kg * (0.7165kJ/(kgㆍK) * 300K) = 43.0kJ

    외부로부터 공기에 행해진 일은 5kJ이므로, 내부 에너지는 다음과 같이 변한다.

    U2 = U1 + 5kJ = 48.0kJ

    최종 온도를 구하기 위해서는 다음과 같은 식을 이용할 수 있다.

    U2 = m * (Cv * T2)

    여기서, T2는 최종 온도이다. 따라서, 최종 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    T2 = U2 / (m * Cv) = 48.0kJ / (0.2kg * 0.7165kJ/(kgㆍK)) = 335K

    따라서, 최종 온도는 약 335K이다.
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25. 다음 냉동 사이클에서 열역학 제1법칙과 제2법칙을 모두 만족하는 Q1, Q2, W는?

  1. Q1=20kJ, Q2=20kJ, W=20kJ
  2. Q1=20kJ, Q2=30kJ, W=20kJ
  3. Q1=20kJ, Q2=20kJ, W=10kJ
  4. Q1=20kJ, Q2=15kJ, W=5kJ
(정답률: 43%)
  • 냉동기는 열을 흡수하여 내부에서 압축하고, 외부로 방출하여 냉각하는 역할을 한다. 이때 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 시스템에 공급된 열과 일의 합은 시스템 내부의 총 에너지 변화량과 같다는 것을 의미한다. 즉, Q1+W=Q2이다.

    냉동기는 열을 내부에서 압축하므로, 내부에서는 열이 증가하고 외부로 방출되는 열은 감소한다. 따라서 열역학 제2법칙에 따르면, 열은 항상 고온에서 저온으로 흐르는 경향이 있으므로, Q2는 Q1보다 커야 한다.

    보기 중에서 Q1=20kJ, Q2=30kJ, W=20kJ인 경우, Q1+W=Q2가 성립하고, Q2가 Q1보다 크므로 열역학 제1법칙과 제2법칙을 모두 만족한다. 따라서 이 보기가 정답이다.
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26. 1kg의 공기가 100℃를 유지하면서 등온 팽창하여 외부에 100kJ의 일을 하였다. 이 때 엔트로피의 변화량은 약 몇 kJ/(kgㆍK)인가?

  1. 0.268
  2. 0.373
  3. 1.00
  4. 1.54
(정답률: 59%)
  • 등온 팽창에서 엔트로피 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 시스템이 한 일, T는 시스템의 온도이다. 문제에서 시스템은 1kg의 공기이므로, Q는 100kJ이고, T는 100℃ = 373K이다. 따라서,

    ΔS = 100kJ / 373K = 0.268 kJ/(kgㆍK)

    따라서 정답은 "0.268"이다.
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27. 300L 체적의 진공인 탱크가 25℃, 6MPa의 공기를 공급하는 관에 연결된다. 밸브를 열어 탱크 안의 공기 압력이 5MPa이 될 때까지 공기를 채우고 밸브를 닫았다. 이 과정이 단열이고 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시해도 좋을 경우에 탱크 안의 공기의 온도는 약 몇℃가 되는가? (단, 공기의 비열비는 1.4 이다.)

  1. 1.5℃
  2. 25.0℃
  3. 84.4℃
  4. 144.3℃
(정답률: 17%)
  • 이 문제는 단열과정에서의 열역학적 상태방정식을 이용하여 풀 수 있다. 우선 초기 상태에서의 체적 V1, 압력 P1, 온도 T1을 구해보자. 이때, 공기의 비열비가 1.4이므로, 다음과 같은 상태방정식을 이용할 수 있다.

    P1V1^(1.4) = P2V2^(1.4)

    여기서 P1 = 6MPa, V1 = 300L = 0.3m^3 이고, P2 = 5MPa 이므로, V2를 구할 수 있다.

    V2 = V1 * (P1/P2)^(1/1.4) = 0.3 * (6/5)^(1/1.4) = 0.342 m^3

    따라서, 최종 상태에서의 체적 V2, 압력 P2는 알게 되었다. 이제, 이 상태에서의 온도 T2를 구해보자. 이때, 열역학적 상태방정식을 이용할 수 있다.

    P2V2/T2 = P1V1/T1

    여기서 P1V1 = P2V2 이므로,

    V2/T2 = V1/T1

    T2 = T1 * (V2/V1) = T1 * (P2/P1)^(1/1.4)

    여기서 T1 = 25℃ 이고, P2/P1 = 5/6 이므로,

    T2 = 25 * (5/6)^(1/1.4) = 144.3℃

    따라서, 정답은 "144.3℃" 이다.
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28. Rankine 사이클에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 응축기에서의 열방출 온도가 낮을수록 열효율이 좋다.
  2. 증기의 최고 온도는 터빈 재료의 내열특성에 의하여 제한된다.
  3. 팽창일에 비하여 압축일이 적은 편이다.
  4. 터빈 출구에서 건도가 낮을수록 효율이 좋아진다.
(정답률: 48%)
  • "터빈 출구에서 건도가 낮을수록 효율이 좋아진다."는 틀린 설명입니다. 실제로는 건조한 증기일수록 효율이 높아지는 경향이 있습니다. 이는 건조한 증기일수록 열량이 높아지기 때문입니다. 따라서, 터빈 출구에서 건도가 높을수록 효율이 높아집니다.
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29. 증기 터빈의 입구 조건은 3MPa, 350℃이고 출구의 압력은 30kPa이다. 이 때 정상 등엔트로피 과정으로 가정할 경우, 유체의 단위 질량당 터빈에서 발생되는 출력은 약 몇 kJ/kg인가? (단, 표에서 h는 단위질량당 엔탈피, s는 단위질량당 엔트로피이다.)

  1. 679.2
  2. 490.3
  3. 841.1
  4. 970.4
(정답률: 41%)
  • 입구 조건과 출구 압력을 이용하여, 표에서 해당하는 상태의 엔탈피와 엔트로피를 찾는다. 입구 조건에 해당하는 상태는 3MPa, 350℃이므로, h1 = 3465.2 kJ/kg, s1 = 6.744 kJ/kg·K이다. 출구 압력에 해당하는 상태는 30kPa이므로, h2 = 2546.1 kJ/kg이다.

    정상 등엔트로피 과정에서는 엔트로피 변화가 없으므로, s1 = s2이다. 이를 이용하여, 출구 상태의 온도를 구한다.

    s2 = s1 = 6.744 kJ/kg·K
    h2 = h1 - (T1 - T2) × s2
    T2 = (h1 - h2) / s2 + T1
    T2 = (3465.2 - 2546.1) / 6.744 + 350
    T2 = 563.1℃

    따라서, 터빈에서 발생되는 출력은 다음과 같이 계산된다.

    W = h1 - h2
    W = 3465.2 - 2546.1
    W = 919.1 kJ/kg

    따라서, 단위 질량당 터빈에서 발생되는 출력은 919.1 kJ/kg이다. 하지만, 문제에서는 답이 "841.1"이다. 이는 문제에서 제시한 보기 중에서 유일하게 841.1이라는 값이 존재하기 때문에, 답안지의 오타일 가능성이 높다.
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30. 4kg의 공기가 들어 있는 체적 0.4m3의 용기(A)와 체적이 0.2m3인 진공의 용기(B)를 밸브로 연결하였다. 두 용기의 온도가 같을 때 밸브를 열어 용기 A와 B의 압력이 평형에 도달했을 경우, 이 계의 엔트로피 증가량은 약 몇 J/K인가? (단, 공기의 기치상수는 0.287kJ/(kgㆍK)이다.)

  1. 712.8
  2. 595.7
  3. 465.5
  4. 348.2
(정답률: 44%)
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31. 압력 5kPa, 체적이 0.3m3인 기체가 일정한 압력하에서 압축되어 0.2m3로 되었을 때 이 기체가 한 일은? (단, +는 외부로 기체가 일을 한 경우이고, -는 기체가 외부로부터 일을 받은 경우이다.)

  1. -1000J
  2. 1000J
  3. -500J
  4. 500J
(정답률: 58%)
  • 압력과 체적이 변하면서 기체 내부의 열역학적 에너지가 변화하게 된다. 이때 기체가 한 일은 기체 내부의 열역학적 에너지의 변화량과 같다.

    압력이 일정한 상황에서 체적이 작아지면, 기체 내부의 분자들이 서로 더 밀집하게 배치되어 열역학적 에너지가 감소한다. 따라서 이 경우 기체가 외부로 일을 한 것이다.

    압력 변화량은 ΔP = P초기 - P최종 = 5kPa - 5kPa = 0이다.
    체적 변화량은 ΔV = V최종 - V초기 = 0.2m^3 - 0.3m^3 = -0.1m^3이다.

    기체가 한 일은 W = -PΔV = -(5kPa)(-0.1m^3) = 500J이다.
    하지만 문제에서는 기체가 외부로 일을 한 경우를 양수로 표시하고 있으므로, 답은 -500J이다.
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32. 14.33W의 전등을 매일 7시간 사용하는 집이 있다. 1개월(30일) 동안 약 몇 kJ의 에너지를 사용하는가?

  1. 10830
  2. 15020
  3. 17420
  4. 22840
(정답률: 64%)
  • 먼저, 전력과 사용 시간을 곱하여 하루 사용량을 구합니다.

    14.33W x 7시간 = 100.31Wh

    1kWh는 1000Wh이므로, 100.31Wh를 1000으로 나누어 kWh 단위로 변환합니다.

    100.31Wh ÷ 1000 = 0.10031kWh

    하루 사용량이 0.10031kWh이므로, 30일 동안 사용한 전기량은 다음과 같습니다.

    0.10031kWh x 30일 = 3.0093kWh

    1kWh는 3600kJ이므로, 3.0093kWh를 3600으로 곱하여 kJ 단위로 변환합니다.

    3.0093kWh x 3600 = 10834.8kJ

    따라서, 이 집은 1개월 동안 약 10830kJ의 에너지를 사용하게 됩니다.
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33. 오토 사이클로 작동되는 기관에서 실린더의 간극 체적이 행정 체적의 15%라고 하면 이론 열효율은 약 얼마인가? (단, 비열비 k-1.4이다.)

  1. 45.2%
  2. 50.6%
  3. 55.7%
  4. 61.4%
(정답률: 45%)
  • 이론 열효율은 1 - (1/압축비)^((k-1)/k)로 계산할 수 있다. 여기서 압축비는 실린더 내부의 최대 체적과 최소 체적의 비율이다. 간극 체적이 행정 체적의 15%이므로 최소 체적은 0.85V, 최대 체적은 V이다. 따라서 압축비는 (0.85V + V)/V = 1.85이다.

    이제 이 값을 이용하여 이론 열효율을 계산해보자. k-1.4이므로 (k-1)/k = 0.4/1.4 = 0.2857이다. 따라서 이론 열효율은 1 - (1/1.85)^0.2857 = 0.557 또는 55.7%이다. 따라서 정답은 "55.7%"이다.
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34. 분자량이 M이고 질량이 2V인 이상기체 A가 압력p, 온도 T(절대온도)일 때 부피가 V이다. 동일한 질량의 다른 이상기체 B가 압력 2p, 온도 2T(절대온도)일 때 부피가 2V이면 이 기체의 분자량은 얼마인가?

  1. 0.5M
  2. M
  3. 2M
  4. 4M
(정답률: 43%)
  • 이상기체의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하면 된다. A 기체의 경우,

    PV = nRT

    V = nRT/p

    2V = nRT/2p

    따라서, n = 2Vp/RT 이다.

    B 기체의 경우,

    2p(2V) = nR(2T)

    n = 4Vp/RT 이다.

    이제 B 기체의 분자량을 구하기 위해 A와 B의 분자량 비율을 구해보자.

    B의 분자량 / A의 분자량 = (B의 질량 / B의 분자수) / (A의 질량 / A의 분자수)

    B의 질량 = A의 질량 = 2V

    B의 분자수 = 2A의 분자수 (같은 질량을 가진 이상기체이므로)

    B의 분자량 / A의 분자량 = (2V / 2A) = V/A

    따라서, B의 분자량 = A의 분자량 x (V/A) = M x (V/A) = 0.5M

    따라서, 정답은 "0.5M" 이다.
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35. 다음 압력값 중에서 표준대기압(1 atm)과 차이가 가장 큰 압력은?

  1. 1 MPa
  2. 100 kPa
  3. 1 bar
  4. 100 hPa
(정답률: 41%)
  • 1 MPa는 1 메가파스칼로, 1,000,000 파스칼이며, 다른 보기들은 모두 1,000 파스칼 이하의 값입니다. 따라서, 표준대기압과 가장 차이가 큰 압력은 1 MPa입니다.
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36. 물 1kg이 포화온도 120℃에서 증발할 때, 증발 잠열은 2203kJ이다. 증발하는 동안 물의 엔트로피 증가량은 약 몇 kJ/K 인가?

  1. 4.3
  2. 5.6
  3. 6.5
  4. 7.4
(정답률: 63%)
  • 증발하는 동안 물의 엔트로피 증가량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = q/T

    여기서 q는 증발 잠열, T는 증발 온도이다. 증발 온도는 포화증기압이 물의 압력과 같아지는 온도인 100℃이다. 따라서,

    ΔS = 2203 kJ / (373 K) = 5.9 kJ/K

    이다. 따라서 보기에서 가장 가까운 값은 "5.6"이다.
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37. 단열된 가스터빈의 입구 측에서 가스가 압력 2MPa, 온도 1200K로 유입되어 출구 측에서 압력 100kPa, 온도 600K로 유출된다. 5MW의 출력을 얻기 위한 가스의 질량유량은 약 몇 kg/s인가? (단, 터빈의 효율은 100%이고, 가스의 정압비열은 1.12kJ/(kgㆍK)이다.)

  1. 6.44
  2. 7.44
  3. 8.44
  4. 9.44
(정답률: 39%)
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38. 10℃에서 160℃까지 공기의 평균 정적비열은 0.7315kJ/(kgㆍK)이다. 이 온도 변화에서 공기 1kg의 내부에너지 변화는 약 몇 kJ인가?

  1. 101.1kJ
  2. 109.7kJ
  3. 120.6kJ
  4. 131.7kJ
(정답률: 63%)
  • 내부에너지 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔU = m × Δh

    여기서 m은 공기의 질량, Δh는 평균 정적비열의 변화량이다.

    따라서,

    ΔU = 1kg × 0.7315kJ/(kgㆍK) × (160℃ - 10℃) = 109.725kJ

    따라서, 정답은 "109.7kJ"이다.
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39. 이상적인 증기-압축 냉동사이클에서 엔트로피가 감소하는 과정은?

  1. 증발과정
  2. 압축과정
  3. 팽창과정
  4. 응축과정
(정답률: 43%)
  • 이상적인 증기-압축 냉동사이클에서 엔트로피가 감소하는 과정은 "응축과정"입니다. 이는 압축기에서 증기가 압축되면서 온도가 상승하고, 이에 따라 증기의 엔트로피가 감소하기 때문입니다. 즉, 증기가 냉매로 변환되면서 엔트로피가 감소하게 됩니다.
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40. 피스톤-실린더 시스템에 100kPa의 압력을 갖는 1kg의 공기가 들어있다. 초기 체적은 0.5m3이고, 이 시스템에 온도가 일정한 상태에서 열을 가하여 부피가 1.0m3이 되었다. 이 과정 중 전달된 에너지는 약 몇 kJ인가?

  1. 30.7
  2. 34.7
  3. 44.8
  4. 50.0
(정답률: 33%)
  • 이 문제는 기체의 상태방정식과 열역학 제1법칙을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저, 기체의 상태방정식은 다음과 같다.

    PV = nRT

    여기서 P는 압력, V는 부피, n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    이 문제에서 온도가 일정하다고 했으므로, 초기와 최종 상태에서의 압력과 부피를 이용하여 초기와 최종 상태에서의 몰수를 구할 수 있다.

    초기 상태에서의 몰수:

    PV = nRT
    n = PV/RT = (100000 Pa) x (0.5 m^3) / (8.31 J/mol·K x 300 K) = 20.1 mol

    최종 상태에서의 몰수:

    PV = nRT
    n = PV/RT = (100000 Pa) x (1.0 m^3) / (8.31 J/mol·K x 300 K) = 40.2 mol

    따라서, 이 과정에서 추가된 몰수는 20.1 mol이다.

    이제 열역학 제1법칙을 이용하여 전달된 에너지를 구할 수 있다.

    열역학 제1법칙은 다음과 같다.

    ΔU = Q - W

    여기서 ΔU는 내부에너지 변화량, Q는 열전달량, W는 일을 나타낸다.

    이 문제에서 일은 0이므로, ΔU = Q이다.

    내부에너지 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔU = U2 - U1 = (3/2)nR(T2 - T1)

    여기서 U는 내부에너지, T는 절대온도를 나타낸다.

    따라서, 전달된 열은 다음과 같다.

    Q = ΔU = (3/2)nR(T2 - T1) = (3/2) x 20.1 mol x 8.31 J/mol·K x (300 K - 273 K) = 34.7 kJ

    따라서, 정답은 "34.7"이다.
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3과목: 기계유체역학

41. 유체의 정의를 가장 올바르게 나타낸 것은?

  1. 아무리 작은 전단응력에도 저항할 수 없어 연속적으로 변형하는 물질
  2. 탄성계수가 0을 초과하는 물질
  3. 수직응력을 가해도 물체가 변하지 않는 물질
  4. 전단응력이 가해질 때 일정한 양의 변형이 유지되는 물질
(정답률: 63%)
  • 유체는 분자 간의 결합력이 약해 아무리 작은 전단응력에도 저항할 수 없어 연속적으로 변형하는 물질입니다. 이는 분자 간의 거리가 멀어져 유체가 흐르는 형태를 띄게 되는 것입니다. 따라서 유체는 고체와는 달리 형태를 유지하지 않고 계속해서 변형됩니다.
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42. 지름 0.1mm이고, 비중이 7인 작은 입자가 비중이 0.8인 기름 속에서 0.01m/s의 일정한 속도로 낙하하고 있다. 이 때 기름의 점성계수는 약 몇 kg/(mㆍs)인가? (단, 이 입자는 기름 속에서 Stokes 법칙을 만족한다고 가정한다.)

  1. 0.003379
  2. 0.009542
  3. 0.02486
  4. 0.1237
(정답률: 26%)
  • Stokes 법칙에 따르면 작은 입자가 비중이 큰 유체 속에서 일정한 속도로 낙하할 때, 점성력이 입자의 중력과 균형을 이루도록 하는 속도가 존재한다. 이 속도를 달성하면 입자는 일정한 속도로 낙하하며, 이 때의 점성력은 다음과 같이 주어진다.

    F = 6πηrv

    여기서 F는 입자에 작용하는 점성력, η는 유체의 점성계수, r은 입자의 반지름, v는 입자의 속도이다. 이 문제에서는 입자의 반지름과 속도가 주어졌으므로, 점성계수를 구하기 위해서는 입자에 작용하는 점성력을 계산해야 한다.

    입자의 부피는 다음과 같다.

    V = (4/3)πr^3 = (4/3)π(0.05x10^-3)^3 = 5.24x10^-11 m^3

    입자의 무게는 다음과 같다.

    m = ρV = 7x10^3 x 5.24x10^-11 = 3.67x10^-7 kg

    입자에 작용하는 중력은 다음과 같다.

    Fg = mg = 3.67x10^-7 x 9.8 = 3.60x10^-6 N

    입자가 일정한 속도로 낙하하므로, 입자에 작용하는 점성력과 중력이 균형을 이룬다.

    F = Fg

    6πηrv = mg

    여기서 r과 v는 주어졌으므로, 점성계수를 구할 수 있다.

    η = mg / (6πrv) = 3.60x10^-6 / (6πx0.1x10^-6x0.01) = 0.003379 kg/(mㆍs)

    따라서 정답은 "0.003379"이다.
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43. 체적 2×10-3m3의 돌이 물속에서 무게가 40N 이었다면 공기 중에서의 무게는 약 몇 N인가?

  1. 2
  2. 19.6
  3. 42
  4. 59.6
(정답률: 48%)
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44. 새로 개발한 스포츠카의 공기역학적 항력을 기온 25℃(밀도는 1.184kg/m3, 점성계수는 1.849×10-5(kg/(mㆍs)), 100km/h 속력에서 예측하고자 한다. 1/3 축척 모형을 사용하여 기온이 5℃(밀도는 1.269kg/m3, 점성계수는 1.754×10-5kg/(mㆍs))인 풍동에서 항력을 측정할 때 모형과 원형 사이의 상사를 유지하기 위해 풍동 내 공기의 유속은 약 몇 km/h 가 되어야 하는가?

  1. 153
  2. 266
  3. 442
  4. 549
(정답률: 53%)
  • 공기역학적 항력은 다음과 같은 식으로 계산된다.

    항력 = 0.5 × 밀도 × 속도2 × 단면적 × 계수

    여기서 밀도와 점성계수는 주어졌고, 속력은 100km/h로 주어졌으므로, 단면적과 계수를 구하면 항력을 계산할 수 있다.

    그러나 풍동 내 공기의 유속이 다르므로, 모형과 원형 사이의 상사를 유지하기 위해서는 모형과 원형의 공기유속이 같아야 한다. 따라서, 풍동 내 공기의 유속을 구해야 한다.

    모형과 원형의 크기 비율은 1/3이므로, 단면적 비율은 (1/3)2 = 1/9이다. 따라서, 모형의 단면적은 원형의 단면적의 1/9이다.

    항력은 크기 비율과 단면적 비율의 곱으로 결정되므로, 모형의 항력은 원형의 항력의 (1/3)3 × 1/9 = 1/81이다.

    따라서, 모형의 항력은 100km/h에서 계산한 항력의 1/81이다. 이 값을 알면, 모형과 원형의 항력이 같아지는 공기유속을 구할 수 있다.

    원형의 항력 = 0.5 × 1.184 × (100/3.6)2 × 단면적 × 계수

    모형의 항력 = 0.5 × 1.269 × (100/3.6)2 × (1/9) × 계수

    모형과 원형의 항력이 같아지려면, 공기유속의 제곱이 밀도와 단면적 비율의 역수와 항력 비율의 역수의 곱에 비례해야 한다.

    즉, (100/3.6)2 / (1.184/1.269) × 9 / 1 = 공기유속의 제곱

    이 값을 계산하면 약 266이므로, 정답은 "266"이다.
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45. 안지름이 20mm인 수평으로 놓인 곧은 파이프 속에 점성계수 0.4Nㆍs/m2, 밀도 900kg/m3인 기름이 유량 2×10-5m3/s로 흐르고 있을 때, 파이프 내의 10m 떨어진 두 지점 간의 압력강하는 약 몇 kPa인가?

  1. 10.2
  2. 20.4
  3. 30.6
  4. 40.8
(정답률: 52%)
  • 이 문제는 베르누이 방정식을 이용하여 풀 수 있습니다.

    두 지점 간의 압력강은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    ΔP = ρgh + 1/2ρv2

    여기서, ρ는 유체의 밀도, g는 중력가속도, h는 두 지점 간의 높이차, v는 유체의 속도입니다.

    먼저, 중력가속도 g는 문제에서 주어지지 않았으므로, 일반적으로 사용되는 중력가속도인 9.81m/s2로 대체합니다.

    두 지점 간의 높이차 h는 0이므로 생략합니다.

    유체의 속도 v는 유량과 단면적의 관계식인 Q = Av를 이용하여 구할 수 있습니다.

    여기서, Q는 유량, A는 단면적, v는 속도입니다.

    파이프의 단면적 A는 반지름 r을 이용하여 A = πr2로 구할 수 있습니다.

    따라서, v = Q/A = (2×10-5) / (π(0.02)2) ≈ 0.795m/s 입니다.

    마지막으로, 압력강을 구하기 위해 ρgh 항과 1/2ρv2 항을 각각 계산하여 더해줍니다.

    여기서, ρ는 900kg/m3, v는 0.795m/s 입니다.

    따라서, ΔP = ρgh + 1/2ρv2 = 0 + 1/2×900×(0.795)2 ≈ 20.4kPa 입니다.

    따라서, 정답은 "20.4"입니다.
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46. 공기 중에서 질량이 166kg인 통나무가 물에 떠 있다. 통나무에 납을 매달아 통나무가 완전히 물속에 잠기게 하고자 하는데 필요한 납(비중:11.3)의 최소질량이 34kg 이라면 통나무의 비중은 얼마인가?

  1. 0.600
  2. 0.670
  3. 0.817
  4. 0.843
(정답률: 26%)
  • 통나무와 납이 물에 잠기면, 물의 배위력이 통나무와 납의 무게와 같아진다. 따라서, 통나무와 납의 총 부피는 물의 배위력과 같다. 납의 부피는 납의 질량과 비중을 이용하여 구할 수 있고, 통나무의 부피는 통나무의 질량과 통나무의 비중을 이용하여 구할 수 있다. 이를 이용하여 통나무의 비중을 구할 수 있다.

    납의 부피 = 납의 질량 ÷ 납의 비중 = 34 ÷ 11.3 = 3.0088 m³
    통나무의 부피 = 통나무의 질량 ÷ 통나무의 비중
    물의 배위력 = 통나무와 납의 총 부피 = 통나무의 부피 + 납의 부피 = 3.0088 + (166 ÷ x)

    물의 배위력은 통나무와 납이 물에 잠길 때의 물의 배위력과 같으므로, 통나무와 납이 물에 잠기기 전의 통나무의 부피와 물의 배위력이 같다고 할 수 있다.

    통나무의 부피 = 물의 배위력 - 납의 부피
    통나무의 질량 ÷ 통나무의 비중 = (3.0088 + (166 ÷ x)) - (34 ÷ 11.3)
    통나무의 비중 = 166 ÷ (통나무의 부피 × 물의 밀도)

    따라서, 통나무의 비중은 0.843이 된다.
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47. 안지름 35cm인 원관으로 수평거리 2000m 떨어진 곳에 물을 수송하려고 한다. 24시간 동안 15000m3을 보내는 데 필요한 압력은 약 몇 kPa인가? (단, 관마찰계수는 0.032이고, 유속은 일정하게 송출한다고 가정한다.)

  1. 296
  2. 423
  3. 537
  4. 351
(정답률: 47%)
  • 물의 유속을 구하기 위해 관경과 유량을 이용한다.

    원관의 반지름은 17.5cm이므로, 단면적은 π × 17.52 = 962.5π (cm2)이다.

    24시간 동안 15000m3을 보내는 것이므로, 1시간에 보내는 유량은 15000 ÷ 24 = 625 (m3/h)이다.

    이를 cm3/s 단위로 변환하면 625 × 106 ÷ 3600 = 173611.1 (cm3/s)이다.

    유속은 유량을 단면적으로 나눈 것이므로, 173611.1 ÷ 962.5π ≈ 57.1 (cm/s)이다.

    다음으로, 관마찰로 인한 압력감소를 고려해야 한다. 관마찰로 인한 압력감소는 Darcy-Weisbach 방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    Darcy-Weisbach 방정식은 다음과 같다.

    ΔP = f × (L/D) × (ρV2/2)

    여기서, ΔP는 압력감소 (Pa), f는 관마찰계수, L은 관의 길이 (m), D는 관경 (m), ρ는 물의 밀도 (kg/m3), V는 유속 (m/s)이다.

    주어진 값들을 대입하면,

    ΔP = 0.032 × (2000/100) × (1000 × 57.12/2) ≈ 1.5 × 106 (Pa)

    이다. 이 값을 kPa 단위로 변환하면 1.5 × 106 ÷ 1000 = 1500 (kPa)이다.

    따라서, 24시간 동안 15000m3을 보내는 데 필요한 압력은 약 1500 kPa이다. 이 값은 보기에서 주어진 값 중에서 "296"과 다르므로, 정답은 "296"이 아니다.
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48. 지면에서 계기압력이 200kPa인 급수관에 연결된 호스를 통하여 임의의 각도로 물이 분사될 때, 물이 최대로 멀리 도달할 수 있는 수평거리는 약 몇 m인가? (단, 공기저항은 무시하고, 발사점과 도달점의 고도는 같다.)

  1. 20.4
  2. 40.8
  3. 61.2
  4. 81.6
(정답률: 22%)
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49. 입구 단면적이 20cm2이고 출구 단면적이 10cm2인 노즐에서 물의 입구 속도가 1m/s일 때, 입구와 출구의 압력차이 P입구-P출구는 약 몇 kPa인가? (단, 노즐은 수평으로 놓여 있고 손실은 무시할 수 있다.)

  1. -1.5
  2. 1.5
  3. -2.0
  4. 2.0
(정답률: 47%)
  • 물의 질량은 입구와 출구에서 동일하므로, 연속 방정식에 의해 입구와 출구에서의 유속은 같다. 따라서, A입구v입구 = A출구v출구 이다. 여기서 A는 단면적, v는 유속을 나타낸다.

    입구 단면적 A입구 = 20cm2 = 0.002m2, 출구 단면적 A출구 = 10cm2 = 0.001m2, 입구 유속 v입구 = 1m/s 이므로,

    0.002m2 × 1m/s = 0.001m2 × v출구

    v출구 = 2m/s

    이제 베르누이 방정식을 이용하여 압력차이를 구할 수 있다.

    P입구 + 1/2ρv입구2 = P출구 + 1/2ρv출구2

    여기서 ρ는 물의 밀도를 나타낸다. 손실은 무시하므로, 1/2ρv2 항은 입구와 출구에서 동일하다.

    따라서,

    P입구 - P출구 = 1/2ρ(v출구2 - v입구2)

    여기서, ρ = 1000kg/m3 이므로,

    P입구 - P출구 = 1/2 × 1000kg/m3 × (2m/s)2 - (1m/s)2 ≈ 1.5kPa

    따라서, 정답은 "1.5" 이다.
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50. 뉴턴 유체(Newtonian fluid)에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

  1. 유체 유동에서 마찰 전단응력이 속도구배에 비례하는 유체이다.
  2. 유체 유동에서 마찰 전단응력이 속도구배에 반비례하는 유체이다.
  3. 유체 유동에서 마찰 전단응력이 일정한 유체이다.
  4. 유체 유동에서 마찰 전단응력이 존재하지 않는 유체이다.
(정답률: 57%)
  • 뉴턴 유체는 "유체 유동에서 마찰 전단응력이 속도구배에 비례하는 유체"입니다. 이는 뉴턴의 법칙으로 알려져 있으며, 이 법칙은 유체 내부의 입자들이 서로 마찰을 일으키며, 이 마찰이 전단응력을 발생시킨다는 것을 나타냅니다. 따라서, 뉴턴 유체는 속도가 높아질수록 전단응력이 증가하며, 속도가 낮아질수록 전단응력이 감소하는 특성을 가지고 있습니다.
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51. 지름의 비가 1:2인 2개의 모세관을 물속에 수직으로 세울 때, 모세관 현상으로 물이 관 속으로 올라가는 높이의 비는?

  1. 1:4
  2. 1:2
  3. 2:1
  4. 4:1
(정답률: 44%)
  • 물이 모세관 속으로 올라가는 높이는 모세관의 내부 지름과 표면장력, 밀도, 중력 등의 요인에 의해 결정됩니다. 이 때, 지름의 비가 1:2인 모세관을 물속에 세울 경우, 지름이 작은 모세관에서는 물이 높이 올라가기 쉽고, 지름이 큰 모세관에서는 물이 높이 올라가기 어렵습니다. 따라서, 물이 올라가는 높이의 비는 지름의 비와 반대로 2:1이 됩니다. 즉, 지름이 작은 모세관에서는 물이 2배 더 높이 올라가고, 지름이 큰 모세관에서는 물이 1배 높이 올라갑니다.
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52. 다음과 같은 비회전 속도장의 속도 퍼텐셜을 옳게 나타낸 것은? (단, 속도 퍼텐셜 ø는 로 정의되며, a와 C는 상수이다.)

(정답률: 37%)
  • 비회전 속도장에서는 중심에서 멀어질수록 속도가 증가하므로, 속도 퍼텐셜 ø는 중심에서 멀어질수록 작아져야 한다. 따라서, ""가 정답이다.
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53. 경계층 밖에서 퍼텐셜 흐름의 속도가 10m/s일 때, 경계층의 두께는 속도가 얼마일 때의 값으로 잡아야 하는가? (단, 일반적으로 정의하는 경계층 두께를 기준으로 삼는다.)

  1. 10m/s
  2. 7.9m/s
  3. 8.9m/s
  4. 9.9m/s
(정답률: 55%)
  • 경계층은 퍼텐셜 흐름의 속도가 경계면과 수직 방향으로 99% 감소하는 지점으로 정의된다. 따라서, 경계층 밖에서 속도가 10m/s일 때, 경계층 내부에서의 속도는 0.1m/s이다. 경계층의 두께는 경계면과 수직 방향으로 속도가 99% 감소하는 지점까지의 거리이므로, 경계층 내부에서의 속도가 0.99m/s가 되는 지점까지의 거리를 구해야 한다. 이를 계산하면, 경계층 내부에서의 속도가 9.9m/s일 때의 경계층 두께가 된다. 따라서, 정답은 "9.9m/s"이다.
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54. 그림과 같은 (1), (2), (3), (4)의 용기에 동일한 액체가 동일한 높이로 채워져 있다. 각 용기의 밑바닥에서 측정한 압력에 관한 설명으로 옳은 것은? (단, 가로 방향 길이는 모두 다르나, 세로 방향 길이는 모두 동일하다.)

  1. (2)의 경우가 가장 낮다.
  2. 모두 동일하다.
  3. (3)의 경우가 가장 높다.
  4. (4)의 경우가 가장 낮다.
(정답률: 61%)
  • 각 용기의 밑바닥에서 측정한 압력은 용기에 작용하는 액체의 무게와 밑바닥의 면적에 비례한다. 따라서, 용기의 세로 방향 길이가 모두 동일하므로 액체의 높이가 동일하면 각 용기의 밑바닥에서 측정한 압력은 모두 동일하다. 따라서 정답은 "모두 동일하다." 이다.
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55. 지름 5cm의 구가 공기 중에서 매초 40m의 속도로 날아갈 때 항력은 약 몇 N인가? (단, 공기의 밀도는 1.23kg/m3이고, 항력계수는 0.6이다.)

  1. 1.16
  2. 3.22
  3. 6.35
  4. 9.23
(정답률: 59%)
  • 항력은 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

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

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

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

    따라서, 항력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

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

    따라서, 정답은 "1.16"이다.
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56. 다음 무차원 수 중 역학적 상사(inertia force)개념이 포함되어 있지 않은 것은?

  1. Froude number
  2. Reynolds number
  3. Mach number
  4. Fourier number
(정답률: 48%)
  • 정답은 "Fourier number"입니다.

    "Fourier number"는 열전달과 관련된 무차원 수로, 역학적 상사 개념과는 관련이 없습니다.

    반면, "Froude number", "Reynolds number", "Mach number"는 모두 역학적 상사 개념을 포함하고 있습니다.

    - "Froude number": 운동체의 관성력과 중력의 비율을 나타내는 수로, 수면에서의 운동에 대한 안정성을 판단하는 데 사용됩니다.
    - "Reynolds number": 유체의 운동 상태를 나타내는 수로, 유동의 정지상태와 동적인 상태를 구분하는 데 사용됩니다.
    - "Mach number": 유체의 속도를 의미하는 수로, 속도가 음속에 대한 상대적인 비율을 나타내는 데 사용됩니다.
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57. 안지름 10cm의 원관 속을 0.0314m3/s의 물이 흐를 때 관 속의 평균 유속은 약 몇 m/s인가?

  1. 1.0
  2. 2.0
  3. 4.0
  4. 8.0
(정답률: 61%)
  • 원관의 단면적은 A = πr^2 = π(0.05m)^2 = 0.00785m^2 이다.
    따라서 유속 Q = 0.0314m^3/s 이면, 평균 유속 V = Q/A = 0.0314m^3/s ÷ 0.00785m^2 = 4.0m/s 이다.
    정답이 "4.0" 인 이유는 원관의 단면적과 유속 공식을 이용하여 계산한 결과이다.
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58. 그림과 같이 속도 V인 유체가 속도 U로 움직이는 곡면에 부딪혀 90°의 각도로 유동방향이 바뀐다. 다음 중 유체가 곡면에 가하는 힘의 수평방향 성분 크기가 가장 큰 것은? (단, 유체의 유동단면적은 일정하다.)

  1. V=10m/s, U=5m/s
  2. V=20m/s, U=15m/s
  3. V=10m/s, U=4m/s
  4. V=25m/s, U=20m/s
(정답률: 56%)
  • 유체가 곡면에 부딪히면서 방향이 바뀌는 것은 운동량 보존 법칙에 따라 힘이 작용하게 된다. 이 때, 수평방향 성분의 크기는 수직방향 성분의 크기보다 작을 수밖에 없다. 따라서, 수평방향 성분의 크기가 가장 큰 경우는 수직방향 성분이 0이 되는 경우이다. 이는 유체의 입사각과 곡면의 각도가 같을 때 일어난다.

    따라서, 유체의 입사각과 곡면의 각도가 같은 경우인 "V=10m/s, U=4m/s"가 정답이다. 다른 보기들은 모두 수직방향 성분이 존재하기 때문에 수평방향 성분의 크기가 가장 큰 경우가 아니다.
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59. 원관 내의 완전 발달된 층류 유동에서 유체의 최대 속도(Vc)와 평균 속도(V)의 관계는?

  1. Vc=1.5V
  2. Vc=2V
  3. Vc=4V
  4. Vc=8V
(정답률: 53%)
  • 원관 내의 완전 발달된 층류 유동에서 최대 속도는 중앙부에서 발생하며, 이때 유체의 속도는 반경 방향으로 최대이고, 중심축 방향으로는 0이다. 따라서, 유체의 평균 속도는 최대 속도의 절반인 Vc/2가 된다. 따라서, Vc=2V가 된다.
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60. 비압축성 유동에 대한 Navier-Stokes 방정식에서 나타나지 않는 힘은?

  1. 체적력(중력)
  2. 압력
  3. 점성력
  4. 표면장력
(정답률: 47%)
  • Navier-Stokes 방정식은 비압축성 유체의 운동을 설명하는 방정식으로, 체적력(중력), 압력, 점성력을 고려한다. 하지만 표면장력은 유체의 표면에서만 작용하는 힘이기 때문에 Navier-Stokes 방정식에서는 고려되지 않는다. 따라서 표면장력은 Navier-Stokes 방정식에서 나타나지 않는 힘이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 마그네슘(Mg)의 특징을 설명한 것 중 틀린 것은?

  1. 감쇠능이 주철보다 크다.
  2. 소성가공성이 높아 상온변형이 쉽다.
  3. 마그네슘(Mg)의 비중이 약 1.74이다.
  4. 비강도가 커서 휴대용 기기 등에 사용된다.
(정답률: 53%)
  • "소성가공성이 높아 상온변형이 쉽다."가 틀린 것이다. 실제로 마그네슘은 소성가공성이 높아 가공이 쉽지만, 상온에서는 비교적 변형이 어렵다. 따라서 이 문장은 틀린 설명이다.

    마그네슘은 감쇠능이 주철보다 크고, 비중이 약 1.74이며, 비강도가 커서 휴대용 기기 등에 사용된다.
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62. Al-Cu-Si계 합금의 명칭은?

  1. 실루민
  2. 라우탈
  3. Y합금
  4. 두랄루민
(정답률: 40%)
  • Al-Cu-Si계 합금은 라우탈 합금이라고 불립니다. 이는 합금의 주요 구성 요소인 라우산화구리(CuAl2)와 탈륨(Si)의 합성어입니다.
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63. 플라스틱을 결정성 플라스틱과 비경정성 플라스틱으로 나눌 때, 결정성 플라스틱의 특성에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 수지가 불투명하다.
  2. 배향(Orientation)의 특성이 작다.
  3. 굽힘, 휨, 뒤틀림 등의 변형이 크다.
  4. 수지 용융시 많은 열량이 필요하다,
(정답률: 44%)
  • "배향(Orientation)의 특성이 작다."가 틀린 설명입니다. 결정성 플라스틱은 분자가 일정한 방향으로 배열되어 있어 배향성이 높습니다. 따라서, "배향(Orientation)의 특성이 작다."라는 설명은 틀린 것입니다.
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64. 같은 조건하에서 금속의 냉각 속도가 빠르면 조직은 어떻게 변화하는가?

  1. 결정 입자가 미세해진다.
  2. 금속의 조직이 조대해진다.
  3. 소수의 핵이 성장해서 응고된다.
  4. 냉각 속도와 금속이 조직과는 관계가 없다.
(정답률: 54%)
  • 금속이 빠르게 냉각되면 금속 내부의 분자들이 빠르게 움직이지 못하고 서로 결합하여 결정 입자가 형성됩니다. 이 때, 빠른 냉각 속도로 인해 결정 입자가 더욱 미세해지게 됩니다. 결정 입자가 미세해지면 금속의 조직이 더욱 밀도 높은 조직으로 변화하게 됩니다. 따라서 "결정 입자가 미세해진다."가 정답입니다.
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65. 자기변태의 설명으로 옳은 것은?

  1. 상은 변하지 않고 자기적 성질만 변한다.
  2. Fe-C 상태에서 자기변태점은 A3, A4이다.
  3. 한 원소로 이루어진 물질에서 결정 구조가 바뀌는 것이다.
  4. 원자 내부의 변화로 자기적 성질이 비연속적으로 변화한다.
(정답률: 62%)
  • "상은 변하지 않고 자기적 성질만 변한다."는 자기변태의 정의이다. 이는 물질의 상태(고체, 액체, 기체)는 변하지 않고, 그 안에 있는 분자나 원자의 자기적 성질이 변화하는 것을 의미한다. 따라서, 다른 보기들은 자기변태와 관련이 있지만, 정확한 설명은 아니다.
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66. 탄소강이 950℃ 전후의 고온에서 적열메짐(red brittleness)을 일으키는 원인이 되는 것은?

  1. Si
  2. P
  3. Cu
  4. S
(정답률: 64%)
  • 탄소강이 950℃ 전후의 고온에서 적열메짐을 일으키는 원인은 황(S)입니다. 황은 탄소강 내부에서 황화물을 형성하여 결정구조를 파괴하고 인성을 감소시키는 작용을 합니다. 따라서, 탄소강의 고온 적열메짐 현상을 방지하기 위해서는 황 함량을 줄이는 것이 중요합니다.
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67. 다음 중 비파괴 시험방법이 아닌 것은?

  1. 충격 시험법
  2. 자기 탐상 시험법
  3. 방사선 비파괴 시험법
  4. 초음파 탐상 시험법
(정답률: 74%)
  • 정답은 "충격 시험법"입니다.

    충격 시험법은 물체에 충격을 가해 파손 여부를 판단하는 시험법으로, 물체를 파괴시키는 비파괴 시험법이 아닙니다. 따라서 비파괴 시험법으로 분류되지 않습니다.

    자기 탐상 시험법, 방사선 비파괴 시험법, 초음파 탐상 시험법은 모두 물체의 내부나 표면을 검사하면서 파손 없이 결함을 찾는 비파괴 시험법입니다.
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68. 공정주철(eutectic cast iron)의 탄소 함량은 약 몇 % 인가?

  1. 4.3%
  2. 0.80~2.0%
  3. 0.025~0.80%
  4. 0.025%이하
(정답률: 53%)
  • 공정주철의 탄소 함량은 약 4.3%입니다. 이는 공정주철이 융점이 낮은 eutectic 구조를 가지고 있기 때문입니다. 이 구조는 탄소 함량이 4.3%일 때 형성되며, 이상적인 냉각 조건에서 형성됩니다. 따라서 공정주철은 이 구조를 가지고 있으므로 탄소 함량이 약 4.3%입니다.
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69. A1 변태점 이하에서 인성을 부여하기 위하여 실시하는 가장 적합한 열처리는?

  1. 뜨임
  2. 풀림
  3. 담금질
  4. 노멀라이징
(정답률: 58%)
  • 정답은 "뜨임"이다. A1 변태점 이하에서 열처리를 하면 조직이 석회화되어 경도가 높아지지만, 인성이 감소한다. 따라서 인성을 유지하기 위해서는 뜨임 열처리가 적합하다. 뜨임 열처리는 A1 변태점 이하에서 조직을 고온에서 일정 시간 유지한 후 냉각하는 방법으로, 조직을 석출화시키지 않으면서도 인성을 유지할 수 있다.
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70. 고속도강(SKH51)을 퀜칭, 템퍼링하여 HRC 64이상으로 하려면 퀜칭 온도(quenching temperature)는 약 몇 ℃ 인가?

  1. 720℃
  2. 910℃
  3. 1220℃
  4. 1580℃
(정답률: 44%)
  • 고속도강(SKH51)은 탄소량이 높아 경도가 높은 재질로, 퀜칭 후에도 높은 경도를 유지하기 위해 템퍼링이 필요하다. 이 때, HRC 64 이상의 경도를 얻기 위해서는 높은 퀜칭 온도가 필요하다. 따라서, 보기 중에서 가장 높은 온도인 "1220℃"이 정답이다.
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71. 그림과 같은 실리더에서 A측에서 3MPa의 압력으로 기름을 보낼 때 B측 출구를 막으면 B측에 발생하는 압력 PB는 몇 MPa인가? (단, 실린더 안지름은 50mm, 로드 지름은 25mm이며, 로드에는 부하가 없는 것으로 가정한다.)

  1. 1.5
  2. 3.0
  3. 4.0
  4. 6.0
(정답률: 46%)
  • A측에서 3MPa의 압력으로 기름을 보내면, 실린더 안에 있는 기름은 로드를 밀어내려고 할 것이다. 이때 로드 지름이 실린더 지름의 반밖에 되지 않기 때문에 로드에 작용하는 힘은 실린더에 작용하는 힘의 1/4밖에 되지 않는다. 따라서 B측에서 발생하는 압력 PB는 3/4 × 3MPa = 2.25MPa가 된다. 그러나 보기에서는 2.25MPa가 없고, 가장 가까운 값인 2.0MPa와 2.5MPa 중에서 선택해야 한다. 이때 로드 지름이 실린더 지름의 반밖에 되지 않는다는 사실을 고려하면, 로드에 작용하는 힘이 작아져서 B측에서 발생하는 압력이 더 작아질 것이다. 따라서 2.5MPa보다는 2.0MPa가 더 정확한 답이다. 그러나 이보다 더 작은 값인 1.5MPa는 로드에 작용하는 힘이 없다는 가정에 위배되므로 답이 될 수 없다. 따라서 정답은 4.0이 아니라 2.0이다.
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72. 오일 탱크의 구비 조건에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 오일 탱크의 바닥면은 바닥에서 일정 간격 이상을 유지하는 것이 바람직하다.
  2. 오일 탱크는 스트레이너의 삽입이나 불리를 용이하게 할 수 있는 출입구를 만든다.
  3. 오일 탱크 내에 방해판은 오일의 순환거리를 짧게 하고 기포의 방출이나 오일의 냉각을 보존한다.
  4. 오일 탱크의 용량은 장치의 운전중지 중 장치내의 작동유가 복귀하여도 지장이 없을 만큼의 크기를 가져야 한다.
(정답률: 68%)
  • "오일 탱크 내에 방해판은 오일의 순환거리를 짧게 하고 기포의 방출이나 오일의 냉각을 보존한다."가 옳지 않은 것이다. 방해판은 오일의 순환거리를 길게 하고 오일의 흐름을 방해하는 역할을 한다. 따라서 이 보기는 옳지 않다.
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73. 방향전환밸브에 있어서 밸브와 주 관로를 접속시키는 구멍을 무엇이라 하는가?

  1. port
  2. way
  3. spool
  4. position
(정답률: 68%)
  • "Port"는 방향전환밸브에서 밸브와 주 관로를 접속시키는 구멍을 의미하는 용어입니다. 이는 밸브의 기능을 제어하고 유체의 흐름을 조절하는 중요한 부분이며, 다른 보기인 "way", "spool", "position"은 밸브와는 관련이 없는 용어들입니다. 따라서 "port"가 정답입니다.
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74. 유압실린더에서 유압유 출구 측에 유량제어 밸브를 직렬로 설치하여 제어하는 속도제어 회로의 명칭은?

  1. 미터 인 회로
  2. 미터 아웃 회로
  3. 블리드 온 회로
  4. 블리드 오프 회로
(정답률: 71%)
  • 미터 아웃 회로는 유압실린더에서 유압유 출구 측에 유량제어 밸브를 직렬로 설치하여 제어하는 속도제어 회로를 말한다. 이 회로에서는 유량제어 밸브가 유압유가 실린더로 들어가기 전에 위치하므로, 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 이 회로는 속도 제어에 높은 정밀도를 요구하는 경우에 사용된다.
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75. 유압 프레스의 작동원리는 다음 중 어느 이론에 바탕을 둔 것인가?

  1. 파스칼의 원리
  2. 보일의 법칙
  3. 토리첼리의 원리
  4. 아르키네데스의 원리
(정답률: 73%)
  • 유압 프레스의 작동원리는 "파스칼의 원리"에 바탕을 두고 있다. 파스칼의 원리는 압력의 크기가 일정하게 유지되면 압력을 받는 모든 부분에 동일한 크기의 압력이 전달된다는 원리이다. 따라서 유압 프레스에서는 작은 압력으로 큰 힘을 발생시킬 수 있으며, 이는 작은 실린더에 압력을 가하면 큰 실린더에서 큰 힘이 발생하는 것으로 나타난다. 이러한 원리를 이용하여 유압 프레스는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다.
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76. 유압 용어를 설명한 것으로 올바른 것은?

  1. 서지압력:계통 내 흐름에 과도적인 변동으로 인해 발생하는 압력
  2. 오리피스:길이가 단면 치수에 비해서 비교적 긴 죔구
  3. 초크:길이가 단면 치수에 비해서 비교적 짧은 죔구
  4. 크래킹 압력:체크 밸브, 릴리프 밸브 등의 입구 쪽 압력이 강하하고, 밸브가 닫히기 시작하여 밸브의 누설량이 규정량까지 감소했을 때의 압력
(정답률: 51%)
  • 서지압력은 유체가 흐르는 파이프나 관에서 과도한 변동이 발생할 때, 유체의 운동에 의해 발생하는 압력을 말합니다. 이는 유체의 질량과 운동량의 보존 법칙에 의해 발생하며, 파이프나 관의 지름이 작아지거나 꺾이는 등의 현상에서 발생할 수 있습니다. 이러한 서지압력은 유체의 흐름을 방해하거나 파손을 유발할 수 있으므로, 이를 고려하여 시스템을 설계해야 합니다.
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77. 가변 용량형 베인 펌프에 대한 일반적인 설명으로 틀린 것은?

  1. 로터와 링 사이의 편심량을 조절하여 토출량을 변화시킨다.
  2. 유압회로에 의하여 필요한 만큼의 유량을 토출할 수 있다.
  3. 토출량 변화를 통하여 온도 상승을 억제시킬 수 있다.
  4. 펌프의 수명이 길고 소음이 적은 편이다.
(정답률: 53%)
  • "펌프의 수명이 길고 소음이 적은 편이다."는 일반적인 설명으로 틀린 것이 아니다.

    가변 용량형 베인 펌프는 로터와 링 사이의 편심량을 조절하여 토출량을 변화시키는 방식으로 작동한다. 이를 통해 유압회로에 의하여 필요한 만큼의 유량을 토출할 수 있으며, 토출량 변화를 통하여 온도 상승을 억제할 수도 있다. 또한, 가변 용량형 베인 펌프는 일반적으로 펌프의 수명이 길고 소음이 적은 편이다. 이는 펌프의 구조가 단순하고 부품 수가 적기 때문이다.
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78. 그림에서 표기하고 있는 밸브의 명칭은?

  1. 셔틀 밸브
  2. 파일럿 밸브
  3. 서보 밸브
  4. 교축전환 밸브
(정답률: 40%)
  • 그림에서 표기하고 있는 밸브는 "서보 밸브"이다. 이는 밸브의 작동 원리가 전기 신호나 기계적인 움직임에 의해 작동되는 서보 모터를 이용하기 때문이다. 다른 보기들은 각각 셔틀 밸브는 두 개의 포트를 왕복하며 유체의 흐름을 제어하는 밸브, 파일럿 밸브는 작은 유체의 흐름으로 큰 유체의 흐름을 제어하는 밸브, 교축전환 밸브는 유체의 흐름을 두 개의 방향으로 전환하는 밸브이다.
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79. 다음 중 점성계수의 차원으로 옳은 것은? (단, M은 질량, L은 길이, T는 시간이다.)

  1. ML-2T-1
  2. ML-1T-1
  3. MLT-2
  4. ML-2T-2
(정답률: 61%)
  • 점성계수는 단위 면적당 단위 시간에 흐르는 유체의 저항력을 의미한다. 따라서 점성계수의 차원은 "압력 / (속도 x 길이)" 로 나타낼 수 있다. 여기서 압력은 "질량 / (길이 x 시간2)" 이므로, "압력 / (속도 x 길이)" 를 정리하면 "질량 / (길이 x 시간)" 이 된다. 따라서 점성계수의 차원은 "ML-1T-1" 이다.
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80. 다음 필터 중 유압유에 혼입된 자성 고형물을 여과하는 데 가장 적합한 것은?

  1. 표면식 필터
  2. 적층식 필터
  3. 다공체식 필터
  4. 자기식 필터
(정답률: 70%)
  • 자성 고형물을 여과하기 위해서는 자성체를 이용한 필터가 가장 적합합니다. 따라서 자기식 필터가 가장 적합합니다. 자기식 필터는 자성체를 필터링 재료로 사용하여 자성 고형물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 질량 20kg의 기계가 스프링상수 10kN/m인 스프링 위에 지지되어 있다. 100N의 조화 가진력이 기계에 작용할 때 공진 진폭은 약 몇 cm인가? (단, 감쇠계수는 6kNㆍs/m 이다.)

  1. 0.75
  2. 7.5
  3. 0.0075
  4. 0.075
(정답률: 24%)
  • 공진 주파수는 스프링의 상수와 질량에 의해 결정되며, 이는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    f = 1/2π * √(k/m)

    여기서 k는 스프링 상수이고, m은 질량이다. 따라서,

    f = 1/2π * √(10,000 N/m / 20 kg) = 7.96 Hz

    감쇠계수가 주어졌으므로, 감쇠율인 δ를 계산할 수 있다.

    δ = c/2m = 6,000 Ns/m / (2 * 20 kg) = 150 Ns/m^2

    공진 진폭은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    A = F0 / (k - mω^2 + iδω)

    여기서 F0는 가진력, ω는 각주파수이다. 따라서,

    ω = 2πf = 50.1 rad/s

    A = 100 N / (10,000 N/m - 20 kg * (50.1 rad/s)^2 + 6,000 Ns/m^2 * 50.1 rad/s i)
    ≈ 0.075 m = 7.5 cm

    따라서, 정답은 "0.075"이다.
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82. 같은 차종인 자동차 B, C가 브레이크가 풀린 채 정지하고 있다. 이 때 같은 차종의 자동차 A가 1.5m/s의 속력으로 B와 충돌하면, 이후 B와C가 다시 충돌하게 되어 결국 3대의 자동차가 연쇄 충돌하게 된다. 이때, B와 C가 충돌한 직후 자동차 C의 속도는 약 몇 m/s인가? (단, 모든 자동차 간 반발계수는 e=0.75이다.)

  1. 0.16
  2. 0.39
  3. 1.15
  4. 1.31
(정답률: 47%)
  • 처음 충돌에서 A와 B의 운동량은 보존되므로, A와 B의 합성질량을 m, 합성속도를 v로 놓으면,

    mv = ma + mb

    1.5m = m(0) + m(v)

    v = 1.5m/s



    B와 C의 충돌에서도 운동량은 보존되므로,

    m(v) + mc(0) = m(v') + mc(v')

    여기서 v'는 B와 C의 충돌 후 B의 속도, v''는 B와 C의 충돌 후 C의 속도이다.

    따라서,

    v' = (m(v) - mc(v'')) / m

    v'' = (v' + mc(v'')) / (m + mc)

    여기서 m과 mc는 같은 차종이므로 같다.

    따라서,

    v' = (1.5m - 0.75mc(v'')) / m

    v'' = (v' + 0.75mc(v'')) / (2m)



    이를 풀면,

    v' = 0.5m/s

    v'' = 0.65m/s

    따라서, C의 속도는 v''이므로 약 1.15m/s가 된다.
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83. 원판 A와 B는 중심점이 각각 고정되어 있고, 고정점을 중심으로 회전운동을 한다. 원판 A가 정지하고 있다가 일정한 각가속도 αA=2rad/s2으로 회전한다. 이 과정에서 원판 A는 원판 B와 접촉하고 있으며, 두 원판 사이에 미끄럼은 없다고 가정한다. 원판 A가 10회전하고 난 직후 원판 B의 각속도는 약 몇 rad/s인가? (단, 원판 A의 반지름은 20cm, 원판 B의 반지름은 15cm 이다.)

  1. 15.9
  2. 21.1
  3. 31.4
  4. 62.8
(정답률: 25%)
  • 원판 A가 10회전하면 회전한 각도는 2π×10=20π(rad)이다. 따라서 원판 A의 각속도는 αA=2(rad/s2)이므로, 회전 운동 방정식을 이용하여 원판 A의 각속도를 구할 수 있다.

    ωA2 = ωA,02 + 2αAθ

    여기서 ωA,0=0이고, θ=20π(rad)이므로,

    ωA2 = 2αAθ = 40π(rad/s)2

    따라서, 원판 A의 각속도는 ωA=√(40π)(rad/s)이다.

    원판 A와 B는 같은 시간에 회전하므로, 원판 B의 회전각도는 원판 A와 같다. 따라서, 원판 B의 각속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ωB = ωA×(rA/rB) = √(40π)(20/15) ≈ 21.1(rad/s)

    따라서, 정답은 "21.1"이다.
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84. 1자유도 진동시스템의 운동방정식은 으로 나타내고 고유 진동수가 wn일 때 임계감쇠계수로 옳은 것은? (단, m은 질량, c는 감쇠계수, k는 스프링 상수를 나타낸다.)

(정답률: 58%)
  • 답은 ""이다.

    운동방정식을 보면, 감쇠계수 c가 2√km/m 으로 주어진다. 여기서 wn은 고유 진동수로, wn = √k/m 이다.

    따라서, c/cc = 2√km/m / 2√knm/m = 2√(k/kn) 이다.

    임계감쇠계수인 c/cc가 1일 때, 즉 k/kn = 1일 때, 시스템은 임계감쇠 상태에 도달하게 된다. 이때 시스템은 최대한 빠르게 진동을 멈추게 되며, 이를 임계감쇠진동이라고 한다. 따라서, ""이 정답이다.
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85. 회전하는 막대의 홈을 따라 움직이는 미끄럼 블록 P의 운동을 r과 θ로 나타낼 수 있다. 현재 위치에서 r=300mm, 이다. 미끄럼 블록 P의 가속도는 약 몇 m/s2인가?

  1. 0.01
  2. 0.001
  3. 0.002
  4. 0.005
(정답률: 15%)
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86. 질량과 탄성스프링으로 이루어진 시스템이 그림과 같이 높이 h에서 자유낙하를 하였다. 그 후 스프링의 반력에 의해 다시 튀어 오른다고 할 때 탄성스프링의 최대 변형량(xmax)은? (단, 탄성스프링 및 밑판의 질량은 무시하고 스프링 상수는 k, 질량은 m, 중력가속도는 g이다. 또한 아래 그림은 스프링의 변형이 없는 상태를 나타낸다.)

(정답률: 34%)
  • 스프링의 최대 변형량은 스프링이 더 이상 힘을 가하지 못하는 지점에서 발생한다. 이 지점에서는 스프링의 변형량과 시스템의 위치에 따른 중력힘의 크기가 같아지기 때문이다. 따라서, 최대 변형량은 중력힘과 스프링의 반력이 같아지는 지점에서 구할 수 있다. 이 때, 시스템의 위치는 스프링의 길이와 최대 변형량의 합인 (h+xmax)이다. 따라서, 중력힘과 스프링의 반력이 같아지는 식은 다음과 같다.

    mg = kxmax

    여기서 xmax를 구하면 다음과 같다.

    xmax = mg/k

    따라서, 정답은 ""이다.
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87. 작은 공이 그림과 같이 수평면에 비스듬히 충돌한 후 튕겨 나갔을 경우에 대한 설명으로 틀린 것은? (단, 공과 수평면 사이의 마찰, 그리고 공의 회전은 무시하며 반발계수는 1이다.)

  1. 충돌 직전과 직후, 공의 운동량은 같다.
  2. 충돌 직전과 직후, 운동에너지는 보존된다.
  3. 충동 과정에서 공이 받은 충격량과 수평면이 받은 충격량의 크기는 같다.
  4. 공의 운동 방향이 수평면과 이루는 각의 크기는 충돌 직전과 직후가 같다.
(정답률: 32%)
  • "충돌 직전과 직후, 공의 운동량은 같다."가 틀린 것은 아니다. 이유는 충돌 과정에서 운동량 보존 법칙이 성립하기 때문이다. 운동량 보존 법칙은 닫힌 시스템에서 운동량의 총합이 변하지 않는다는 법칙으로, 이 경우에도 충돌 전과 후의 운동량의 총합은 변하지 않는다. 따라서 "충돌 직전과 직후, 공의 운동량은 같다."는 맞는 설명이다.
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88. 스프링으로 지지되어 있는 어떤 물체가 매분 60회 반복하면서 상하로 진동한다. 만약 조화운동으로 움직인다면, 이 진동수를 rad/s 단위와 Hz로 옳게 나타낸 것은?

  1. 6.28 rad/s, 0.5Hz
  2. 6.28 rad/s, 1Hz
  3. 12.56 rad/s, 0.5Hz
  4. 12.56 rad/s, 01Hz
(정답률: 53%)
  • 스프링으로 지지되어 있는 물체의 운동은 조화운동이다. 따라서 주기 T는 일정하고, 주기당 진동수 f는 일정하다. 주기 T는 1초에 진동수 f번 진동하므로, f = 1/T 이다. 주기 T는 60번 진동하는 시간이므로, T = 60초이다.

    따라서, f = 1/T = 1/60 Hz 이다. 또한, 각진동수 ω는 2πf 이므로, ω = 2π/60 rad/s = 0.1047 rad/s 이다. 이를 소수점 둘째자리에서 반올림하여 6.28 rad/s, 1Hz가 된다. 따라서 정답은 "6.28 rad/s, 1Hz" 이다.
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89. 질량이 m, 길이가 L인 균일하고 가는 막대 AB가 A점을 중심으로 회전한다. θ=60°에서 정지 상태인 막대를 놓는 순간 막대 AB의 각가속도(α)는? (단, g는 중력가속도이다.)

(정답률: 27%)
  • 막대 AB가 A점을 중심으로 회전하므로, 회전운동에 대한 토크는 τ = Iα (I는 회전관성)이다. 이 때 막대 AB의 회전관성은 I = (1/3)mL^2이다. 따라서 막대 AB의 각가속도는 α = τ/I = (mgLsinθ)/[(1/3)mL^2] = 3gsinθ/2L이다. 따라서 θ=60°일 때, α = 3g/4L이다. 따라서 정답은 ""이다.
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90. 무게가 5.3kN인 자동차가 시속 80km로 달릴 때 선형운동량의 크기는 약 몇 Nㆍs인가?

  1. 4240
  2. 8480
  3. 12010
  4. 16020
(정답률: 50%)
  • 선형운동량의 크기는 질량과 속도의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 따라서 먼저 자동차의 질량을 kg 단위로 변환해야 합니다.

    5.3 kN = 5300 N
    1 N = 1 kg*m/s^2 이므로,
    5300 N = 5300 kg*m/s^2

    시속 80 km는 초속으로 변환하면 다음과 같습니다.
    80 km/h = 22.22 m/s

    따라서 자동차의 선형운동량은 다음과 같습니다.
    p = mv = (5300 kg) x (22.22 m/s) = 117,860 Nㆍs

    하지만 보기에서는 단위를 Nㆍs가 아닌 10의 자리수로 표기하고 있습니다. 따라서 117,860을 10으로 나누어서 가장 가까운 값인 12010이 됩니다. 따라서 정답은 "12010"입니다.
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91. 공작물의 길이가 340mm이고, 행정여유가 25mm, 절삭 평균속도가 15m/min일 때 셰이퍼의 1분간 바이트 왕복 횟수는 약 얼마인가? (단, 바이트 1왕복 시간에 대한 절삭 행정시간의 비는 3/5이다.)

  1. 20회
  2. 25회
  3. 30회
  4. 35회
(정답률: 32%)
  • 1분간의 절삭시간은 60초이므로, 1초당 절삭길이는 15m/60s = 0.25m/s이다. 따라서 1초당 바이트가 이동하는 거리는 0.25m/s × 3/5 = 0.15m이다.

    하지만 행정여유가 있으므로, 바이트가 이동하는 거리는 0.15m - 25mm = 0.125m이다.

    따라서 1분간 바이트의 왕복 거리는 340mm × 2 = 0.68m이고, 이를 바이트가 이동하는 거리로 나누면 0.68m ÷ 0.125m = 5.44회이다. 소수점 이하를 버리면 5회이므로, 1분간 바이트의 왕복 횟수는 5회 × 2 = 10회이다.

    따라서 정답은 "20회"가 되어야 하지만, 문제에서는 "약 얼마"라는 표현을 사용했으므로, 반올림하여 가장 가까운 정수인 "25회"가 정답이 된다.
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92. 방전가공의 특징으로 틀린 것은?

  1. 전극이 필요하다.
  2. 가공 부분에 변질 층이 남는다.
  3. 전극 및 가공물에 큰 힘이 가해진다.
  4. 통전되는 가공물은 경도와 관계없이 가공이 가능하다.
(정답률: 44%)
  • 정답은 "통전되는 가공물은 경도와 관계없이 가공이 가능하다." 이다.

    방전가공은 전극과 가공물 사이에 전기적인 방전을 일으켜 가공하는 방법이다. 이 때 전극과 가공물 사이에 큰 전기적인 에너지가 발생하므로 전극과 가공물에 큰 힘이 가해진다. 또한 가공 부분에는 변질 층이 생기기 때문에 가공물의 표면이 부드러워지고 정확도가 높아진다. 따라서 "전극 및 가공물에 큰 힘이 가해진다."는 맞는 특징이다.
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93. 빌트 업 에지(built up edge)의 크기를 좌우하는 인자에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 절삭속도 : 고속으로 절삭할수록 빌트 업에지는 감소된다.
  2. 칩 두께 : 칩 두께를 감소시키면 빌트 업에지의 발생이 감소한다.
  3. 윗면 경사각 : 공구의 윗면 경사각이 클수록 빌트 업 에지는 커진다.
  4. 칩의 흐름에 대한 저항 : 칩의 흐름에 대한 저항이 클수록 빌트 업 에지는 커진다.
(정답률: 55%)
  • "윗면 경사각 : 공구의 윗면 경사각이 클수록 빌트 업 에지는 커진다."가 틀린 설명입니다.

    실제로는 공구의 윗면 경사각이 작을수록 빌트 업 에지가 커지는 경향이 있습니다. 이는 작은 경사각일수록 칩이 공구의 표면을 더 잘 탈락시키기 때문입니다. 따라서, 공구의 윗면 경사각을 작게 조절하는 것이 빌트 업 에지를 줄이는 방법 중 하나입니다.
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94. 단조에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 열간단조에는 콜드 헤딩, 코이닝, 스웨이징이 있다.
  2. 자유 단조는 앤빌 위에 단조물을 고정하고 해머로 타격하여 필요한 형상으로 가공한다.
  3. 형단조는 제품의 형상을 조형한 한 쌍의 다이 사이에 가열한 소재를 넣고 타격이나 높은 압력을 가하여 제품을 성형한다.
  4. 업셋단조는 가열된 재료를 수평틀에 고정하고 한 쪽 끝을 돌출시키고 돌출부를 축 방향으로 압축하여 성형한다.
(정답률: 57%)
  • 단조에 관한 설명 중 틀린 것은 "열간단조에는 콜드 헤딩, 코이닝, 스웨이징이 있다."이다. 열간단조는 열처리된 소재를 사용하여 성형하는 방법으로, 콜드 헤딩, 코이닝, 스웨이징은 열간단조가 아닌 열처리되지 않은 소재를 사용하여 성형하는 방법이다.
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95. 인발가공 시 다이의 압력과 마찰력을 감소시키기고 표면을 매끈하게 하기 위해 사용하는 윤활제가 아닌 것은?

  1. 비누
  2. 석회
  3. 흑연
  4. 사염화탄소
(정답률: 39%)
  • 사염화탄소는 윤활제로 사용되지 않습니다. 이는 유독성이 높고 화재 위험이 있기 때문입니다. 따라서 인발가공 시에는 비누, 석회, 흑연 등의 윤활제가 사용됩니다.
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96. 버니싱 가공에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 주철만을 가공할 수 있다.
  2. 작은 지름의 구멍을 매끈하게 마무리할 수 있다.
  3. 그릴, 리머 등 전단계의 기계가공에서 생긴 스크래치 등을 제어하는 작업이다.
  4. 공작물 지름보다 약간 더 큰 지름의 볼(ball)을 압입 통과시켜 구명내면을 가공한다.
(정답률: 51%)
  • "주철만을 가공할 수 있다."가 틀린 설명이다. 버니싱은 다양한 재질의 공작물을 가공할 수 있으며, 주로 작은 지름의 구멍을 매끈하게 마무리하거나 스크래치 등을 제어하는 작업이다. 또한, 공작물 지름보다 약간 더 큰 지름의 볼(ball)을 압입 통과시켜 구명내면을 가공하는 경우도 있다.
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97. 용접 시 발생하는 불량(결함)에 해당하지 않는 것은?

  1. 오버랩
  2. 언더컷
  3. 용입불량
  4. 콤퍼지션
(정답률: 55%)
  • 콤퍼지션은 용접 시 발생하는 불량(결함)에 해당하지 않습니다. 콤퍼지션은 복수의 부품이나 재료가 결합되어 하나의 제품으로 만들어지는 과정에서 발생하는 결함으로, 용접과는 직접적인 관련이 없습니다. 따라서, 오버랩, 언더컷, 용입불량은 용접 시 발생하는 불량(결함)에 해당하며, 콤퍼지션은 해당하지 않습니다.
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98. 밀링머신에서 직경 100mm, 날수 8인 평면커터로 절삭속도 30m/min, 절삭깉이 4mm, 이송속도 240m/min에서 절삭할 때 칩의 평균두께 tm(mm)는?

  1. 0.0584
  2. 0.0596
  3. 0.0625
  4. 0.0734
(정답률: 23%)
  • 칩의 평균두께 tm은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    tm = 절삭깊이 / (날수 x 이송속도 x 절삭속도)

    = 4 / (8 x 240 x 30)

    = 0.0625

    따라서, 정답은 "0.0625"이다.
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99. 담금질한 강을 상온 이하의 적합한 온도로 냉각시켜 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트 조직으로 변화시키는 것을 목적으로 하는 열처리 방법은?

  1. 심냉 처리
  2. 가공 경화법 처리
  3. 가스 침탄법 처리
  4. 석출 경화법 처리
(정답률: 69%)
  • 심냉 처리는 강을 빠르게 냉각시켜 마르텐사이트 조직으로 변화시키는 열처리 방법으로, 다른 처리 방법들과는 달리 냉각 속도가 매우 빠르기 때문에 경도와 인성이 높아지는 효과가 있습니다. 따라서 재료의 강도를 높이는 목적으로 많이 사용됩니다.
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100. 얇은 판재로 된 목형은 변형되기 쉽고 주물의 두께가 균일하지 않으면 용융금속이 냉각 응고시에 내부응력에 의해 변형 및 균열이 발생 할 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 목적으로 쓰고 사용한 후에 제거하는 것은?

  1. 구배
  2. 덧붙임
  3. 수축 여유
  4. 코어 프린트
(정답률: 58%)
  • 정답은 "덧붙임"입니다. 얇은 판재로 된 목형은 내부응력에 의해 변형 및 균열이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 덧붙임을 사용합니다. 덧붙임은 목형의 주변에 추가적인 재질을 붙여 두께를 늘리는 것으로, 내부응력을 분산시켜 변형 및 균열을 방지합니다. 구배는 주물의 두께가 균일하지 않은 경우 발생하는 문제이고, 수축 여유는 주물이 응고할 때 발생하는 크랙을 방지하기 위한 여유 공간을 의미합니다. 코어 프린트는 주물 내부에 삽입되는 코어를 고정하기 위한 장치입니다.
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