[국회직 9급 기계일반] 16년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

굽힘력을 제거했을 때 변형량의 일부가 되돌아오는 현상은 스프링백(springback)이다.
소성변형과 함께 재료 안에 저장된 탄성에너지가 하중 제거 후 풀리면서 굽힘각이 일부 벌어진다.
과도굽힘(overbending): 되돌아올 양을 예상해 목표보다 더 굽히는 보정 방법이다.
바터밍(bottoming): 펀치를 끝까지 눌러 판재를 다이 바닥에 밀착시켜 복원을 줄이는 방법이다.
시밍(seaming): 판재 끝을 서로 접어 맞물려 잇는 가공이다.
헤밍(hemming): 판재 가장자리를 접어 강성과 안전성을 높이는 가공이다.

올바른 연결은 사출성형 – 열가소성 수지, 압축성형 – 열경화성 수지이다.
가열하면 다시 녹는 열가소성 수지는 사출·압출·취입·열성형에 쓰고, 한 번 굳으면 다시 녹지 않는 열경화성 수지는 주로 금형 안에서 경화시키는 압축성형·전사성형에 쓴다.
압출 – 열가소성, 열성형 – 열경화성: 열성형은 가열한 열가소성 시트를 모양대로 성형하는 공정이다.
취입성형 – 열가소성, 압출 – 열경화성: 압출은 대표적인 열가소성 수지 공정이다.
전사성형 – 열가소성, 사출성형 – 열경화성: 전사성형은 열경화성, 사출성형은 열가소성 수지의 대표 공정으로 연결이 뒤바뀌었다.
열성형 – 열가소성, 취입성형 – 열경화성: 취입성형은 페트병처럼 열가소성 수지를 불어 성형하는 공정이다.

옳지 않은 설명은 숏피닝이 재료 중심부의 연성을 증가시킨다는 내용이다.
숏피닝(shot peening)은 표면층만 소성변형시켜 가공경화와 압축잔류응력을 주는 방법으로, 중심부 성질은 거의 변하지 않는다.
표면층 압축응력 발생: 옳은 설명으로, 이 압축응력이 피로강도를 높인다.
숏의 재질: 냉간주철, 주강, 강철 등이 쓰인다는 옳은 설명이다.
피닝작업과 청정작업: 표면 강화뿐 아니라 표면의 스케일 제거 등 청정 목적으로도 쓰인다.
냉간가공법: 재결정온도 이하에서 표면을 두드려 가공하므로 옳은 설명이다.

판금 절단 공정끼리 묶인 것은 블랭킹(blanking)과 펀칭(punching)이다.
둘 다 판재를 전단으로 잘라내는 공정이며, 블랭킹은 뽑아낸 쪽이, 펀칭은 구멍이 뚫린 쪽이 제품이 된다.
헤밍, 커팅오프: 커팅오프는 절단이지만 헤밍은 가장자리를 접는 굽힘 가공이다.
V-벤딩, 플랜징: 둘 다 굽힘 계열의 성형 가공이다.
전단, 시밍: 전단은 절단이지만 시밍은 판 끝을 접어 잇는 가공이다.
코이닝, 엠보싱: 둘 다 금형으로 표면에 형상을 만드는 압인·성형 가공이다.

옳지 않은 설명은 가는 나사가 보통 나사보다 쉽게 풀린다는 내용이다.
가는 나사는 피치가 작아 리드각이 작으므로 자립성이 좋고, 보통 나사보다 잘 풀리지 않는다.
나사각 증가: 나사면의 경사(리드각)가 급해져 미끄러지기 쉬우므로 풀림 경향이 커진다.
초기 조임 증가: 접촉면의 수직력이 커져 극복해야 할 마찰력도 커진다.
마찰계수를 높이는 표면처리: 풀리는 방향의 저항이 커져 풀림이 줄어든다.
헬리컬 와셔: 조일 때 눌려 평평해지면서 끝단이 상대 표면을 물어 풀림을 줄인다.

회전축이 위험속도에 도달하면 진폭이 커진다.
회전수가 축의 고유진동수와 일치하면 공진이 일어나 진동이 크게 증폭되기 때문이다.
3차가 1차·2차보다 위험하다: 통상 가장 낮은 1차 위험속도를 가장 중요하게 다루므로 틀렸다.
가로 진동만 고려한다: 비틀림 진동도 함께 고려해야 한다.
비틀림 진동만 고려한다: 가로 진동도 함께 고려해야 한다.
고유진동수의 ±5% 이상 떨어지게 한다: 공진 영역을 피하기에 여유가 부족하며, 이보다 충분히 크게 떨어뜨려 운전해야 한다.

펀치 하중은 $P=\pi d t\tau$로 구한다.
잘리는 면은 둘레 $\pi d$에 두께 $t$를 곱한 원통면이므로 전단면적은 $A=\pi d t$이다.
하중은 전단강도 × 전단면적이므로 $P=\tau A=\pi d t\tau$이다.
$P=\dfrac{\pi}{d t\tau}$: 지름·두께·강도가 커질수록 하중이 줄어 실제와 반대이다.
$P=\dfrac{\pi d}{t\tau}$: 두께와 강도가 커질수록 하중이 줄어 실제와 반대이다.
$P=\dfrac{\pi d t}{\tau}$: 전단강도가 클수록 하중이 줄어 실제와 반대이다.
$P=\dfrac{1}{\pi d t\tau}$: 관계가 통째로 역수여서 실제와 반대이다.

양단이 고정된 봉을 냉각하면 수축이 구속되어 3 MPa의 열응력(인장)이 발생한다.
봉이 자유롭게 줄어들 변형률만큼 벽이 봉을 잡아당기므로 응력은 탄성계수 × 열변형률이다.
$\sigma = E\alpha\Delta T$
$\sigma = (200\times10^{3}\ \mathrm{MPa})(1.5\times10^{-6}\ \mathrm{/^\circ C})(10\ \mathrm{^\circ C})$
$\sigma = 3\ \mathrm{MPa}$
온도 1°C당 응력은 0.3 MPa이므로 나머지 값은 온도차가 다를 때의 결과다.
6 MPa는 온도차가 20°C일 때의 값으로, 초기 온도를 온도차로 잘못 대입한 결과다.
12 MPa는 온도차가 40°C여야 나오는 값이다.
24 MPa는 온도차가 80°C여야 나오는 값이다.
30 MPa는 온도차가 100°C여야 나오는 값이다.

안전하게 쓸 수 있는 최소 직경은 $2\ \mathrm{cm}$이다.
허용응력: $\sigma_a=\dfrac{\sigma_Y}{S}=\dfrac{400}{2}=200\ \mathrm{MPa}=200\ \mathrm{N/mm^2}$
필요 단면적: $A=\dfrac{P}{\sigma_a}=\dfrac{62800\ \mathrm{N}}{200\ \mathrm{N/mm^2}}=314\ \mathrm{mm^2}$
직경: $\dfrac{\pi d^2}{4}=314$에서 $d^2=\dfrac{4\times314}{3.14}=400$
$d=20\ \mathrm{mm}=2\ \mathrm{cm}$

굽힘모멘트 선도는 고정단에서 크기가 가장 크고 하중점 b까지 직선으로 줄어든 뒤, b부터 자유단 a까지는 0인 삼각형 모양이다.
고정단에서 거리 $x$인 단면의 모멘트는 그 단면보다 자유단 쪽에 있는 하중만으로 정해진다.
$M(x) = -P(b-x)\quad (0\le x\le b)$
$M(x) = 0\quad (b\le x\le a)$
따라서 고정단의 모멘트 크기는 $Pb$이고, b에서 0이 된다.
b까지 크기가 일정한 직사각형 선도는 전단력이 0인 구간의 모양으로, 전단력이 $P$로 일정한 이 구간과 맞지 않는다.
a까지 크기가 일정한 직사각형 선도는 끝단에 우력이 작용할 때의 모양이다.
b에서 부호가 바뀌어 a까지 이어지는 직선 선도는 하중이 없는 b~a 구간에 모멘트가 생긴다고 보는 것이어서 틀리다.
a에서 0이 되는 삼각형 선도는 하중이 자유단 a에 작용할 때의 모양이다.

직경을 줄인 뒤의 수직응력은 $4\sigma$이다.
수직응력은 $\sigma=\dfrac{P}{A}$로 단면적에만 좌우되고, 봉의 길이와는 무관하다.
단면적은 $A=\dfrac{\pi d^2}{4}$로 직경의 제곱에 비례한다.
직경이 $\dfrac{1}{2}$배이면 단면적은 $\dfrac{1}{4}$배이다.
따라서 응력은 $\sigma'=\dfrac{P}{A/4}=4\sigma$이다.

운동량 보존과 반발계수 식을 연립하면 충돌 후 속도는 $V_A = 5.5\ \mathrm{m/s}$, $V_B = 9.5\ \mathrm{m/s}$이다.
질량이 같으므로 운동량 보존식에서 질량이 소거된다.
$10 + 5 = V_A + V_B$
$V_A + V_B = 15$
반발계수는 충돌 전후 상대속도의 비이다.
$e = \dfrac{V_B - V_A}{10 - 5} = 0.8$
$V_B - V_A = 4$
두 식을 더하면 $2V_B = 19$이므로 $V_B = 9.5\ \mathrm{m/s}$이고, $V_A = 5.5\ \mathrm{m/s}$이다.
VA = 5, VB = 10은 상대속도 차가 5로 반발계수가 1인 완전탄성충돌의 값이다.
VA = 6, VB = 9는 상대속도 차가 3으로 반발계수가 0.6이다.
VA = 6.5, VB = 8.5는 상대속도 차가 2로 반발계수가 0.4이다.
VA = 7, VB = 8은 상대속도 차가 1로 반발계수가 0.2이다.

0.5초 후 변위는 $0\ \mathrm{mm}$, 각진동수는 $6.28\ \mathrm{rad/s}$이다.
단위가 $\mathrm{rad/s}$이므로 발문의 진동수는 각진동수를 뜻한다.
$\omega=2\pi f=2\times3.14\times1=6.28\ \mathrm{rad/s}$
주기는 $T=\dfrac{1}{f}=1\ \mathrm{s}$이므로 0.5초는 반주기이다.
평형점을 지난 뒤 반주기가 되면 물체는 반대 방향으로 다시 평형점을 지난다.
$x=10\sin(2\pi\times1\times0.5)=0\ \mathrm{mm}$

윈치의 소요동력은 $12.5\ \mathrm{kW}$이다.
화물을 올리는 동력: $H=\dfrac{Fs}{t}=\dfrac{50\ \mathrm{kN}\times12\ \mathrm{m}}{60\ \mathrm{s}}=10\ \mathrm{kW}$
소요동력은 이 값을 효율로 나눈 값이다.
$H_0=\dfrac{H}{\eta}=\dfrac{10}{0.8}=12.5\ \mathrm{kW}$

공동현상의 본질은 유체가 액체에서 증기로 빠르게 변화하는 것이다.
국부 압력이 포화증기압 이하로 떨어지면 액체가 기화해 기포가 생기고, 이 기포가 고압부에서 터지며 소음과 침식을 일으킨다.
압력이 국부적으로 매우 높아질 때 발생: 반대로 압력이 낮아질 때 발생한다.
프로펠러 끝단의 저속·고압 와류에서 발생: 실제로는 고속·저압 와류에서 발생한다.
캐비테이션수가 임계값보다 클 때 발생: 임계값보다 작아질 때 발생한다.
압력파동으로 방지: 압력이 순간적으로 떨어지는 구간이 생겨 오히려 발생을 부추긴다.

900 kPa까지 압축했을 때의 온도는 $900\ \mathrm{K}$이다.
이상기체의 가역 단열과정 관계식을 쓴다.
$\dfrac{T_2}{T_1}=\left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)^{\frac{k-1}{k}}$
첫 번째 압축에서 지수를 구한다.
$\dfrac{600}{300}=\left(\dfrac{400}{100}\right)^{\frac{k-1}{k}}$, 즉 $2=4^{\frac{k-1}{k}}$이므로 $\dfrac{k-1}{k}=\dfrac{1}{2}$
같은 지수를 두 번째 압축에 대입한다.
$T_2=300\times\left(\dfrac{900}{100}\right)^{\frac{1}{2}}=300\times3=900\ \mathrm{K}$

나무의 열전도율은 $0.05\ \mathrm{W/(m\cdot K)}$이다.
푸리에 법칙: $q=k\dfrac{\Delta T}{L}$
온도차는 $\Delta T=30-5=25\ \mathrm{K}$, 두께는 $L=25\ \mathrm{mm}=0.025\ \mathrm{m}$이다.
$k=\dfrac{qL}{\Delta T}=\dfrac{50\times0.025}{25}=0.05\ \mathrm{W/(m\cdot K)}$

단순 증기원동소의 효율을 높이는 방법은 보일러에서 과열시키는 것이다.
과열하면 평균 수열온도가 높아져 효율이 오르고, 터빈 출구 증기의 건도도 높아진다.
압축기의 배출압력 증가: 랭킨 사이클의 가압 기기는 물을 보내는 펌프이고 압축기가 없어 해당되지 않는다.
터빈 배출압력 증가: 평균 방열온도가 높아져 효율이 떨어진다.
보일러 배출압력 감소: 증기 생성 온도가 낮아져 효율이 떨어진다.
수증기 최고 압력 감소: 사이클의 평균 수열온도가 낮아져 효율이 떨어진다.

이 물체의 비중은 $1.2$이다.
물체가 떠 있으므로 물체의 무게 = 부력이다.
부력은 물체가 잠긴 부피만큼의 액체 무게와 같다.
물체의 비중을 $s$, 전체 부피를 $V$라 하면 다음과 같다.
$sV=2\times\dfrac{3}{5}V$
$s=2\times\dfrac{3}{5}=1.2$

나중 압력은 $\dfrac{3}{8}P$이다.
이상기체 상태식에서 기체의 양이 일정하므로 다음이 성립한다.
$\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}$
$V_2=2V_1$, $T_1=400\ \mathrm{K}$, $T_2=300\ \mathrm{K}$를 대입한다.
$P_2=P\times\dfrac{V_1}{2V_1}\times\dfrac{300}{400}=P\times\dfrac{1}{2}\times\dfrac{3}{4}=\dfrac{3}{8}P$