2018년 국회사무처 9급 기계일반 가책형 기출문제 풀이

2018 9급 국회사무처 기계일반 가책형

기계일반 기출문제 풀이 · AI 보조 해설

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Q01

다음 합금소재 중에서 가장 가볍고 절삭성이 양호하여 항공기, 자동차 등의 경량화 부품에 많이 사용되는 것은?

① 니켈 (Ni)
오답입니다 니켈은 비중 8.9로 무거우며 내식·내열 합금의 주성분입니다.
② 크롬 (Cr)
오답입니다 크롬은 스테인리스강의 내식성을 담당하는 첨가 원소입니다.
③ 마그네슘 (Mg)
정답입니다 마그네슘은 비중 1.74로 실용 금속 중 가장 가볍고 절삭성도 좋습니다.
④ 티타늄 (Ti)
오답입니다 티타늄은 비강도는 높지만 비중 4.5로 무겁고 절삭성이 나쁩니다.
⑤ 아연 (Zn)
오답입니다 아연은 비중 7.1로 무거우며 주로 도금과 다이캐스팅에 씁니다.

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정답 ③ 마그네슘 (Mg)

실용 금속 중 비중이 가장 작은 것은 마그네슘(1.74)으로 알루미늄(2.7)이나 티타늄(4.5)보다 훨씬 가볍습니다. 절삭저항이 작아 절삭성이 뛰어나기 때문에 항공기 부품이나 자동차 경량화 부품에 많이 쓰입니다. 반면 니켈·크롬·아연은 비중이 7 이상이라 경량화 소재로 쓰지 않습니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 기계재료 # 경합금 # 마그네슘 # 비중 # 절삭성

Q02

순철과 비교하여 탄소강이 가지는 특성으로 옳지 않은 것은?

① 인장강도가 크다.
오답입니다 탄소가 들어가면 순철보다 인장강도가 커집니다.
② 용접성이 좋다.
정답입니다 탄소량이 늘수록 용접부가 굳고 균열이 잘 생겨 용접성은 나빠집니다.
③ 경도가 크다.
오답입니다 탄소가 만드는 시멘타이트 때문에 경도가 올라갑니다.
④ 연성이 낮다.
오답입니다 강도와 경도가 오르는 대신 연성과 인성은 떨어집니다.
⑤ 열처리성이 좋다.
오답입니다 탄소가 있어야 담금질로 마르텐사이트를 얻을 수 있습니다.

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정답 ② 용접성이 좋다.

순철에 탄소를 넣으면 단단한 시멘타이트가 생겨 인장강도와 경도가 올라가고 연성은 낮아지며, 담금질·뜨임 같은 열처리로 성질을 바꿀 수 있게 됩니다. 반대로 탄소량이 많아질수록 용접부가 급랭되어 경화되고 저온균열이 잘 생기므로 용접성은 순철보다 나빠집니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 기계재료 # 탄소강 # 순철 # 용접성 # 열처리성

Q03

이상적인 증기압축 냉동사이클로 운전되는 냉동기가 있다. 증발기에서의 열전달률이 15 kW, 응축기에서의 열전달률이 20 kW일 때 이 냉동기의 성능계수(coefficient of performance)는?

① 0.75
오답입니다 0.75는 증발기 열량을 응축기 열량으로 나눈 값입니다.
② 1.33
오답입니다 1.33은 응축기 열량을 증발기 열량으로 나눈 값입니다.
③ 2
오답입니다 2가 되려면 압축일을 7.5 kW로 잘못 잡아야 합니다.
④ 3
정답입니다 압축일이 20 − 15 = 5 kW이므로 COP = 15/5 = 3입니다.
⑤ 4
오답입니다 4는 같은 사이클을 난방용으로 볼 때의 성능계수 20/5입니다.

정답과 해설 보기

정답 ④ 3

이상적인 증기압축 냉동사이클에서 압축기가 한 일은 응축기 방열량에서 증발기 흡열량을 뺀 값입니다. 즉 W = 20 − 15 = 5 kW입니다. 냉동기의 성능계수는 냉동효과를 압축일로 나눈 값이므로 COP = 15/5 = 3 이 됩니다. 같은 사이클을 열펌프로 쓰면 COP는 20/5 = 4 가 됩니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 열역학 # 증기압축냉동사이클 # 성능계수 # 냉동효과 # 압축일

Q04

기체가 들어있는 밀폐(또는 닫힌) 시스템(closed system)의 체적이 0.2 m³이다. 이 시스템의 내, 외부 압력을 모두 100 kPa 로 일정하게 유지한 상태에서 시스템에 30 kJ 의 열에너지를 가하여 체적을 0.4 m³으로 변화시켰다. 이 과정을 통해 시스템의 에너지는 몇 kJ 증가하게 되는가?

① 10
정답입니다 경계일이 20 kJ이므로 ΔU = 30 − 20 = 10 kJ입니다.
② 20
오답입니다 20 kJ은 계가 밖으로 밀어내며 한 경계일 그 자체입니다.
③ 30
오답입니다 30 kJ은 가해 준 열량으로, 정적과정일 때만 그대로 내부에너지가 됩니다.
④ 40
오답입니다 40 kJ은 부피 변화를 0.2 m³가 아닌 0.4 m³로 잡았을 때의 경계일 값입니다.
⑤ 50
오답입니다 50 kJ은 경계일을 빼지 않고 오히려 더했을 때 나오는 값입니다.

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정답 ① 10

압력이 100 kPa로 일정한 정압과정이므로 계가 한 경계일은 W = PΔV = 100 × (0.4 − 0.2) = 20 kJ입니다. 열역학 제1법칙 ΔU = Q − W 에 대입하면 ΔU = 30 − 20 = 10 kJ입니다. 가해 준 열 중 20 kJ은 부피를 밀어내는 일로 나가고 10 kJ만 계의 에너지로 남습니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 열역학 # 열역학제1법칙 # 정압과정 # 경계일 # 내부에너지

Q05

순수물질의 P-v 선도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 포화증기선과 포화액선은 임계점에서 만난다.
오답입니다 포화액선과 포화증기선은 임계점에서 만나 하나의 곡선을 이룹니다.
② 비체적이 증가함에 따라 동일 온도 조건에서 압력은 점차 증가한다.
정답입니다 등온선에서는 비체적이 커지면 압력이 낮아지므로 설명이 반대입니다.
③ 포화액선과 포화증기선 사이에는 두 개의 상(phase)이 섞여있다.
오답입니다 두 포화선 사이는 액체와 증기가 함께 있는 습증기 구역입니다.
④ 과열증기를 동일 비체적 상태에서 압력을 점차 낮추면 응축이 시작된다.
오답입니다 압력을 낮추다 포화증기선을 만나면 응축이 시작됩니다.
⑤ 초임계영역에서는 증기와 액체의 구분이 없어진다.
오답입니다 임계점 위에서는 액체와 기체의 경계가 사라집니다.

정답과 해설 보기

정답 ② 비체적이 증가함에 따라 동일 온도 조건에서 압력은 점차 증가한다.

P-v 선도에서 하나의 등온선을 따라가면 비체적이 커질수록 압력은 낮아집니다. 이상기체에서 Pv = RT 로 P가 v에 반비례하는 것과 같은 경향입니다. 따라서 동일 온도에서 비체적이 증가하면 압력이 증가한다는 ②는 반대로 설명한 것이고, 나머지는 임계점·습증기 구역·응축 시작·초임계영역을 바르게 설명한 것입니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 열역학 # Pv선도 # 포화선 # 임계점 # 습증기

Q06

단순 굽힘모멘트 M을 견디도록 설계된 속이 꽉 찬 원형강재의 지름이 $d$ 이다. 허용 수직응력이 8배인 소재로 강재의 재질을 변경할 경우 동일한 굽힘모멘트를 견딜 수 있는 원형강재의 최소 지름은?

① $d / 2$
정답입니다 단면계수가 1/8이면 되므로 d³이 1/8, 즉 지름은 d/2로 줄일 수 있습니다.
② $d / \sqrt{3}$
오답입니다 d/√3이면 단면계수가 약 1/5.2로 줄어 8배 강도를 다 활용하지 못합니다.
③ $d / \sqrt{2}$
오답입니다 d/√2이면 단면계수가 약 1/2.8밖에 줄지 않아 여유가 너무 많습니다.
④ $d / 4$
오답입니다 d/4로 줄이면 단면계수가 1/64이 되어 8배 강한 소재로도 견디지 못합니다.
⑤ $d / 8$
오답입니다 d/8로 줄이면 단면계수가 1/512이 되어 지나치게 가늘어집니다.

정답과 해설 보기

정답 ① d/2

굽힘응력은 σ = M/Z이고 속이 찬 원형 단면의 단면계수는 Z = πd³/32이므로 σ = 32M/(πd³)입니다. 같은 굽힘모멘트에서 허용응력이 8배인 소재를 쓰면 단면계수는 1/8만 있어도 되므로 d³이 1/8이 되면 됩니다. 따라서 최소 지름은 d/∛8 = d/2입니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 재료역학 # 굽힘응력 # 단면계수 # 원형단면 # 허용응력

Q07

단면의 지름 10 mm, 길이 3 m인 강철봉에 인장하중을 작용하여 길이가 2 mm만큼 증가하였다. 포아송비(Poisson’s ratio)가 0.3 일 때 강철봉 지름의 감소량(mm)은?

① 0.005
오답입니다 0.005는 포아송비를 0.75로 잡아야 나오는 값입니다.
② 0.004
오답입니다 0.004는 봉의 길이를 1.5 m로 잘못 보았을 때 나옵니다.
③ 0.003
오답입니다 0.003은 포아송비를 0.45로 잡았을 때 나오는 값입니다.
④ 0.002
정답입니다 Δd = 0.3 × (2/3000) × 10 = 0.002 mm입니다.
⑤ 0.001
오답입니다 0.001은 지름을 5 mm로 잘못 보았을 때 나옵니다.

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정답 ④ 0.002

축방향 변형률은 ε = ΔL/L = 2/3000 ≈ 6.67×10⁻⁴입니다. 포아송비 정의 ν = − $ε_{가로}$ / $ε_{축}$ 에서 가로변형률의 크기는 0.3 × 6.67×10⁻⁴ = 2×10⁻⁴입니다. 지름 감소량은 여기에 원래 지름을 곱하면 되므로 Δd = 2×10⁻⁴ × 10 = 0.002 mm입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 재료역학 # 포아송비 # 변형률 # 인장하중 # 횡변형

Q08

드릴링 머신에 의한 작업이 아닌 것은?

① 카운터보링(counterboring)
오답입니다 카운터보링은 볼트머리가 묻히도록 구멍 입구를 크게 깎는 작업입니다.
② 리밍(reaming)
오답입니다 리밍은 뚫은 구멍을 정밀한 치수로 다듬는 작업입니다.
③ 카운터싱킹(countersinking)
오답입니다 카운터싱킹은 접시머리 나사가 들어가도록 원뿔 자리를 내는 작업입니다.
④ 스폿페이싱(spotfacing)
오답입니다 스폿페이싱은 구멍 둘레를 평평하게 깎아 자리를 만드는 작업입니다.
⑤ 시이밍(seaming)
정답입니다 시이밍은 얇은 판재의 가장자리를 접어 겹쳐 잇는 판금 접합 작업입니다.

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정답 ⑤ 시이밍(seaming)

드릴링 머신에서는 드릴링 외에 리밍, 보링, 태핑, 카운터보링, 카운터싱킹, 스폿페이싱 등 구멍을 다듬거나 자리를 내는 작업을 할 수 있습니다. 반면 시이밍은 캔이나 덕트처럼 얇은 판재의 끝을 접어 겹쳐서 이어 붙이는 판금 작업이므로 드릴링 머신의 작업이 아닙니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 기계공작법 # 드릴링머신 # 리밍 # 카운터보링 # 시이밍

Q09

원형 관을 흐르는 유동에 대해서 동점성계수 1×10^-4 m²/s, 직경 10 mm, 유동속도 5 m/s일 때 관마찰계수는?

① 0.128
정답입니다 Re = 500인 층류이므로 f = 64/500 = 0.128입니다.
② 0.137
오답입니다 0.137이 되려면 레이놀즈 수가 약 467이어야 해 조건과 맞지 않습니다.
③ 0.204
오답입니다 0.204는 Re ≈ 314에 해당하며 직경을 잘못 대입한 경우입니다.
④ 0.269
오답입니다 0.269는 Re ≈ 238로 유동속도를 작게 잡았을 때 나옵니다.
⑤ 0.372
오답입니다 0.372는 레이놀즈 수가 약 172일 때의 값으로, 주어진 조건의 Re = 500과 맞지 않습니다.

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정답 ① 0.128

먼저 레이놀즈 수를 구하면 Re = VD/ν = 5 × 0.01 / (1×10⁻⁴) = 500입니다. 임계 레이놀즈 수인 약 2,100보다 훨씬 작으므로 층류이고, 층류의 관마찰계수는 f = 64/Re입니다. 따라서 f = 64/500 = 0.128입니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 유체역학 # 레이놀즈수 # 관마찰계수 # 층류 # 동점성계수

Q10

입구를 통하여 밀도 $ρ_{1}$ 인 유체가 들어가서 유동장치를 통과하여 출구로 배출된다. 이때 (a)와 (b)의 압력차이 때문에 U자관내의 밀도 $ρ_{2}$ 인 유체의 높이 차이가 발생한다. 유동장치를 통과하기 전의 압력 P_a와 통과한 후의 압력 P_b의 차이 P_a− P_b를 나타내는 식은? (이때, $g$ 는 중력가속도)

2018 9급 국회사무처 기계일반 가책형 10번 그림 1

① $(ρ_{1} - ρ_{2}) g (h + H)$
오답입니다 밀도의 순서가 반대이고 높이도 h가 아니라 h+H를 썼습니다.
② $(ρ_{2} - ρ_{1}) g (h + H)$
오답입니다 밀도차는 맞지만 압력차에 남는 높이는 h뿐이고 H는 상쇄됩니다.
③ $(ρ_{1} + ρ_{2}) g (h + H)$
오답입니다 두 밀도는 더하는 것이 아니라 빼야 합니다.
④ $(ρ_{1} - ρ_{2}) g h$
오답입니다 높이는 맞지만 밀도 순서가 반대라 부호가 뒤집힙니다.
⑤ $(ρ_{2} - ρ_{1}) g h$
정답입니다 압력 평형식에서 H항이 지워지고 (ρ₂ − ρ₁)gh 만 남습니다.

정답과 해설 보기

정답 ⑤ (ρ₂ − ρ₁)gh

U자관 마노미터에서는 두 액면 중 낮은 쪽을 기준면으로 잡아 좌우 압력을 같다고 놓습니다. (a)쪽 경로는 $P_{a}$ + ρ₁g(H + h), (b)쪽 경로는 $P_{b}$ + ρ₁gH + ρ₂gh입니다. 두 식을 같다고 두고 정리하면 $P_{a}$ − $P_{b}$ = (ρ₂ − ρ₁)gh 가 되어 H는 서로 지워지고 마노미터 액면 높이차 h만 남습니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 유체역학 # 마노미터 # 압력차 # 정수압 # U자관

Q11

베르누이방정식을 적용하기 위해 유동이 갖추어야 할 올바른 조건으로만 짝지은 것은?

① 비압축성 유동, 정상 유동, 점성 유동
오답입니다 점성 유동에서는 마찰손실이 생겨 베르누이식을 그대로 쓸 수 없습니다.
② 압축성 유동, 정상 유동, 비점성 유동
오답입니다 압축성 유동에서는 밀도가 변해 적용할 수 없습니다.
③ 비압축성 유동, 정상 유동, 비점성 유동
정답입니다 비압축성·정상·비점성이 베르누이방정식의 기본 가정입니다.
④ 비압축성 유동, 비정상 유동, 비점성 유동
오답입니다 비정상 유동에서는 시간에 대한 항이 더 붙어야 합니다.
⑤ 압축성 유동, 정상 유동, 점성 유동
오답입니다 압축성과 점성 두 가지 모두 가정에 어긋납니다.

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정답 ③ 비압축성 유동, 정상 유동, 비점성 유동

베르누이방정식은 오일러 방정식을 유선을 따라 적분해 얻은 식으로 p/ρ + v²/2 + gz = 일정 의 형태를 갖습니다. 이 식이 성립하려면 밀도가 일정한 비압축성 유동, 시간에 따라 변하지 않는 정상 유동, 마찰이 없는 비점성 유동이어야 하며 같은 유선 위에서 적용해야 합니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 유체역학 # 베르누이방정식 # 정상유동 # 비점성 # 비압축성

Q12

튜브나 속이 찬 금속소재 공작물의 직경을 줄이는 데 사용되는 단조 공정으로 공작물이 금형으로 들어오면 회전하는 금형이 공작물을 안쪽 반경방향으로 타격해 직경을 줄이는 공정은?

① 허빙(hubbing)
오답입니다 허빙은 단단한 펀치를 눌러 넣어 금형의 오목부를 성형하는 공정입니다.
② 업세팅(upsetting)
오답입니다 업세팅은 축방향으로 눌러 단면을 굵고 짧게 만드는 공정입니다.
③ 스웨이징(swaging)
정답입니다 회전하는 금형이 반경방향으로 타격해 지름을 줄이는 회전 단조가 스웨이징입니다.
④ 자유 단조(open-die forging)
오답입니다 자유 단조는 평평한 공구 사이에서 형상 구속 없이 두드리는 공정입니다.
⑤ 무플래시 단조(flashless forging)
오답입니다 무플래시 단조는 재료가 금형 안에 완전히 갇혀 플래시가 생기지 않는 공정입니다.

정답과 해설 보기

정답 ③ 스웨이징(swaging)

스웨이징은 원주를 따라 배치된 분할 금형이 회전하면서 공작물을 바깥에서 안쪽 반경방향으로 빠르게 두들겨 튜브나 봉재의 지름을 줄이는 회전 단조 공정입니다. 테이퍼 진 봉, 케이블 단자, 총열 가공 등에 쓰이며 업세팅과는 힘을 주는 방향이 정반대입니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 소성가공 # 단조 # 스웨이징 # 업세팅 # 회전단조

Q13

선반가공에서 지름 100 mm의 피삭재를 절삭속도 150 m/min으로 가공할 때 필요한 선반주축의 회전수(rpm)는? (단, $π$ 는 3으로 계산한다.)

① 300
오답입니다 300 rpm이면 절삭속도가 90 m/min밖에 되지 않습니다.
② 400
오답입니다 400 rpm이면 절삭속도가 120 m/min이 됩니다.
③ 420
오답입니다 420 rpm은 지름을 120 mm 정도로 잘못 보았을 때 나오는 값입니다.
④ 500
정답입니다 N = 1000V/(πD) = 1000 × 150 / (3 × 100) = 500 rpm입니다.
⑤ 520
오답입니다 520 rpm이면 절삭속도가 156 m/min으로 조건보다 큽니다.

정답과 해설 보기

정답 ④ 500

선반의 절삭속도는 V = πDN/1000 으로, V는 m/min, D는 mm, N은 rpm 단위입니다. 회전수로 정리하면 N = 1000V/(πD)이고, 문제 조건대로 π를 3으로 두면 N = 1000 × 150 / (3 × 100) = 150,000/300 = 500 rpm입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 기계공작법 # 선반 # 절삭속도 # 주축회전수 # 절삭조건

Q14

높은 표면온도를 가진 넓고 평평한 벽면이 있다. 이 벽면은 상온의 정지된 공기에 노출되어 있다. 이 벽면의 냉각을 촉진하기 위한 방법으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르면?

ㄱ. 표면 주위의 공기를 강제로 순환시켜 대류 열전달을 촉진한다.
ㄴ. 표면에 열전도계수(thermal conductivity)가 높은 물질로 만들어진 핀(fin) 구조물을 부착함으로써 열전달 면적을 증가시켜 열전달을 촉진한다.
ㄷ. 열전도계수가 높은 물질로 만들어진 평평한 판으로 표면을 완전히 덮어 열전도 현상을 촉진한다.

① ㄱ
오답입니다 ㄱ만 고르면 부족하며 ㄴ의 핀 부착도 냉각을 촉진합니다.
② ㄱ, ㄴ
정답입니다 강제대류(ㄱ)와 핀에 의한 면적 증가(ㄴ)가 모두 냉각을 돕습니다.
③ ㄱ, ㄷ
오답입니다 ㄷ은 대류 면적을 늘리지 못하고 열저항만 더하므로 옳지 않습니다.
④ ㄴ, ㄷ
오답입니다 ㄷ이 들어가 있어 옳지 않습니다.
⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
오답입니다 ㄷ까지 모두 고르면 안 됩니다.

정답과 해설 보기

정답 ② ㄱ, ㄴ

벽면의 냉각은 결국 공기로 빠져나가는 대류가 결정하므로 q = hAΔT 에서 h나 A를 키워야 합니다. ㄱ은 공기를 강제로 순환시켜 대류계수 h를 크게 하고, ㄴ은 핀을 붙여 대류 면적 A를 크게 하므로 둘 다 옳습니다. 반면 ㄷ처럼 평판으로 표면을 완전히 덮으면 대류 면적은 그대로인데 전도 열저항만 하나 더 늘어 냉각이 오히려 나빠집니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 열전달 # 대류 # 강제대류 # 핀 # 열저항

Q15

열전도도(thermal conductivity)가 2 W/(m·K)이고 두께는 10 cm이며, 면적은 5 m²인 유리창의 외부표면 온도는 15 °C이다. 내부로부터 외부로 전도에 의하여 열이 전달된다고 가정한다. 전달된 열전달량이 50 W일 때 유리창의 내부표면 온도는 몇 °C인가?

① 15.1
오답입니다 15.1은 두께를 2 cm로 잘못 보았을 때 나오는 값입니다.
② 15.5
정답입니다 ΔT = 50 × 0.1 / (2 × 5) = 0.5 ℃이므로 15 + 0.5 = 15.5 ℃입니다.
③ 16
오답입니다 16은 면적을 2.5 m²로 보아 온도차를 1 ℃로 잡은 값입니다.
④ 16.1
오답입니다 16.1은 두께와 면적을 함께 잘못 잡아야 나오는 값입니다.
⑤ 16.5
오답입니다 16.5는 열전도도를 약 0.67 W/(m·K)로 보았을 때 나옵니다.

정답과 해설 보기

정답 ② 15.5

평판의 정상상태 전도는 푸리에 법칙 q = kA( $T_{내부}$ − $T_{외부}$ )/L 로 계산합니다. 두께 10 cm는 0.1 m이므로 온도차는 ΔT = qL/(kA) = 50 × 0.1 / (2 × 5) = 0.5 ℃입니다. 열은 내부에서 외부로 흐르므로 내부표면 온도가 더 높아 15 + 0.5 = 15.5 ℃입니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 열전달 # 푸리에법칙 # 평판전도 # 열전도도 # 표면온도

Q16

질량관성모멘트가 2.5 kg·m²인 플라이휠에 5 N·m의 토크가 가해진다. 정지 상태에서 회전하기 시작하여 10바퀴 회전했을 때 플라이휠의 각속도(rad/s)는? (단, $π$ 는 3으로 계산한다.)

① $\sqrt{3}$
오답입니다 √3은 각가속도와 회전각을 모두 지나치게 작게 잡았을 때 나옵니다.
② $2 \sqrt{3}$
오답입니다 2√3은 회전각을 60 rad이 아닌 3 rad으로 본 값입니다.
③ $4 \sqrt{3}$
오답입니다 4√3은 회전각을 12 rad으로 잘못 잡았을 때 나옵니다.
④ $2 \sqrt{15}$
오답입니다 2√15는 각가속도를 T/I가 아니라 I/T = 0.5로 뒤집어 잡은 값입니다.
⑤ $4 \sqrt{15}$
정답입니다 ω² = 2αθ = 2 × 2 × 60 = 240이므로 ω = √240 = 4√15입니다.

정답과 해설 보기

정답 ⑤ 4√15

각가속도는 회전 운동방정식 T = Iα 에서 α = 5/2.5 = 2 rad/s²입니다. 10바퀴는 θ = 10 × 2π = 20π이고 π를 3으로 두면 60 rad입니다. 정지에서 출발하는 등각가속도 운동식 ω² = ω₀² + 2αθ 에 대입하면 ω² = 0 + 2 × 2 × 60 = 240이므로 ω = √240 = 4√15 rad/s입니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 동역학 # 회전운동 # 질량관성모멘트 # 각가속도 # 등각가속도

Q17

스프링상수 k인 용수철과 질량 m인 추로 이루어진 진동시스템이 단순 상하 조화운동을 할 때의 주기가 $T$ 이다. 용수철을 절반으로 자른 후 동일한 추를 매달아 상하 진동시킬 때의 주기는? (단, 스프링상수 k는 일정하며, 용수철의 무게는 무시한다.)

① $T / \sqrt{2}$
정답입니다 잘린 용수철의 강성이 2k가 되므로 주기는 T/√2로 짧아집니다.
② $T / 2$
오답입니다 T/2는 강성이 4배가 되어야 나오는 값입니다.
③ $T$
오답입니다 용수철을 잘라도 강성이 그대로라고 잘못 본 값입니다.
④ $\sqrt{2} T$
오답입니다 √2 T는 강성이 오히려 k/2로 줄어든다고 본 값입니다.
⑤ $2 T$
오답입니다 2T는 강성이 1/4로 줄어야 나오는 값입니다.

정답과 해설 보기

정답 ① T/√2

균일한 용수철을 절반 길이로 자르면 같은 힘에 대해 늘어나는 양이 절반이 되므로 스프링상수는 2k로 두 배가 됩니다. 상하 조화운동의 주기는 T = 2π√(m/k) 로 강성의 제곱근에 반비례하므로, 강성이 2배가 되면 주기는 1/√2 배가 되어 T/√2 가 됩니다. 따라서 ①입니다.
※ 단서의 “스프링상수 k는 일정하며”는 원래 용수철이 균일하다는 뜻으로, 잘린 뒤의 상수는 2k가 됩니다.

키워드 # 진동학 # 고유주기 # 스프링상수 # 조화운동 # 용수철분할

Q18

서로 다른 축 사이에 동력을 전달하기 위한 기계요소가 아닌 것은?

① 기어
오답입니다 기어는 이가 맞물려 두 축 사이에 확실하게 동력을 전달합니다.
② 마찰차
오답입니다 마찰차는 두 바퀴의 접촉 마찰로 동력을 전달합니다.
③ 플라이휠
정답입니다 플라이휠은 한 축에 붙어 회전 에너지를 저장했다 내놓는 요소입니다.
④ 벨트
오답입니다 벨트는 떨어져 있는 두 축을 감아 동력을 전달합니다.
⑤ 체인
오답입니다 체인은 스프로킷에 물려 미끄럼 없이 동력을 전달합니다.

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정답 ③ 플라이휠

기어, 마찰차, 벨트, 체인, 로프는 모두 서로 떨어진 두 축 사이에서 회전 동력을 옮기는 전동요소입니다. 반면 플라이휠은 한 축에 고정해 관성으로 에너지를 저장했다가 내놓아 회전속도 변동을 줄여 주는 요소이므로 축 사이 동력 전달용 기계요소가 아닙니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 기계요소설계 # 전동장치 # 기어 # 플라이휠 # 벨트전동

Q19

베어링에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 구름 베어링은 미끄럼 베어링에 비하여 시동 시 마찰저항이 작다.
오답입니다 구름 베어링은 구름 접촉이라 기동 시 마찰저항이 작습니다.
② 미끄럼 베어링은 베어링에 작용하는 하중이 큰 경우에 적합하다.
오답입니다 미끄럼 베어링은 접촉 면적이 넓어 큰 하중을 받기에 적합합니다.
③ 구름 베어링은 소음발생이 심하고 충격에 약하다.
오답입니다 구름 베어링은 점·선 접촉이라 소음이 크고 충격에 약합니다.
④ 미끄럼 베어링은 윤활이 중요하며 바람직한 윤활은 경계윤활(boundary lubrication)이다.
정답입니다 미끄럼 베어링이 바라는 상태는 경계윤활이 아니라 유체윤활입니다.
⑤ 구름 베어링 중에서 볼베어링은 더 빠른 속도에서 견딜 수 있고, 롤러 베어링은 더 큰 하중을 버틸 수 있다.
오답입니다 볼베어링은 고속에, 롤러 베어링은 큰 하중에 유리합니다.

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정답 ④ 미끄럼 베어링은 윤활이 중요하며 바람직한 윤활은 경계윤활(boundary lubrication)이다.

미끄럼 베어링은 저널과 베어링 사이에 충분한 유막이 형성되어 금속끼리 닿지 않는 유체윤활(후막윤활) 상태가 가장 바람직합니다. 경계윤활은 유막이 너무 얇아 국부적으로 금속 접촉이 일어나는 불안정한 상태로, 시동이나 정지처럼 회전수가 낮은 구간에서 어쩔 수 없이 생기는 조건입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 기계요소설계 # 베어링 # 구름베어링 # 미끄럼베어링 # 유체윤활

Q20

펌프에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 펌프의 양정을 늘리고 싶은 경우 다수의 펌프를 직렬로 연결하여 운전한다.
오답입니다 직렬 연결은 양정을 더하고 병렬 연결은 유량을 더합니다.
② 흡입관의 직경을 크게 하면 캐비테이션을 줄일 수 있다.
오답입니다 흡입관을 굵게 하면 유속과 손실이 줄어 흡입압력이 올라갑니다.
③ 고속으로 회전하는 임펠러 끝단에서의 유체의 속도가 고속이 될 경우 캐비테이션이 발생할 수 있다.
오답입니다 속도가 커지면 국부 압력이 포화증기압 아래로 떨어져 캐비테이션이 생깁니다.
④ 원심펌프의 경우 회전수가 2배 증가하면 양정은 4배 증가한다.
오답입니다 상사법칙에서 양정은 회전수의 제곱에 비례하므로 4배가 됩니다.
⑤ 축류펌프는 저유량, 고양정에 적합하다.
정답입니다 축류펌프는 저양정·대유량용이라 설명이 정반대입니다.

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정답 ⑤ 축류펌프는 저유량, 고양정에 적합하다.

펌프 상사법칙에서 유량은 회전수에 비례, 양정은 회전수의 제곱에, 동력은 세제곱에 비례합니다. 또 캐비테이션은 국부 압력이 포화증기압 아래로 떨어질 때 생기므로 흡입관을 굵게 해 손실을 줄이면 완화됩니다. 축류펌프는 임펠러가 물을 축방향으로 밀어내는 형식이라 비속도가 크고 양정은 낮으면서 유량은 많은 조건에 적합하므로 ⑤의 설명은 반대입니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 유체역학 # 펌프 # 캐비테이션 # 상사법칙 # 축류펌프

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