기계공학개론 제2장

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기계공학개론
Introduction to Mechanical Engineering
2장 사회적 욕구에 따른 기계의 발전과
정
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기계공학개론
2장 사회적 욕구에 따른 기계의 발전과정
Development Process of Machines According to Social Needs
2.1 서론
2.2 성능 및 경제적 (고효율) 욕구
2.3 환경적 욕구
2.4 인간적 욕구
2.5 문화적 욕구
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기계공학개론
2.1 서론
 기계공학
– 기계 또는 장치를 구상하고 이를 분석, 설계, 생산, 관리 → 인간의 사회적 욕구 충족
– 사회적 욕구 : 성능 및 경제적 (고효율) 욕구, 환경적 욕구, 인간적 욕구, 문화적 욕구 등
– 사회적 욕구를 충족시키는 제품개발 → 삶의 질 향상, 기계공학 발전
– 혁신적인 제품개발 과정 → 엔지니어의 역할을 알고 사명감 및 자부심을 가지고자 함
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2.2 성능 및 경제적 (고효율) 욕구
성능 및 경제적 (고효율) 욕
구
 고효율 욕구에 따른 기계의 발전
– 인간의 고효율 욕구를 충족하고 부를 창출하기 위해 다양한 종류의 제품개발
– 제품개발의 방향 : 지속적인 성능 및 경제성 (고효율) 향상 → 높은 부가가치 획득
– 대표적 사례 : 열기관, 포드자동차의 컨베이어 시스템 등
 열기관(heat engine)
– 초기 증기기관의 효율 : 8% → 최근 차량에 사용되는 내연기관의 효율 : 30 ~ 40%,
화력발전 시스템의 열기관의 효율 : 50%
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2.2 성능 및 경제적 (고효율) 욕구
 현대 쏘나타 엔진
– 연료분사기술, 엔진전자제어기술 등으로 엔진의 성능 및 효율 지속적으로 개선
표 2.1 쏘나타 엔진 제원
그림 2.1 쏘나타 엔진의 연비와 출력의 변천
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그림 2.2 YF 쏘나타 엔진
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2.2 성능 및 경제적 (고효율) 욕구
 포드자동차의 컨베이어 시스템
– 1913년 모델 T 생산에 적용 → 대량생산 시스템 구축
– 컨베이어를 따라 움직이는 차량에 조립순서에 맞추어 작업자들이 차례대로 작업
→ 분업을 통해 생산성 크게 향상됨
– 1927년까지 약 1500만대 생산 → 대량생산을 통해 가격 인하 ($950 → $260)
– 대량생산의 근원적인 요인 : 분업과 상호 교환 가능한 부품 사용(부품의 표준화)
그림 2.3 포드자동차의 최종 조립공장
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2.3 환경적 욕구
사회발전과 환경문제
 농경사회에서 산업사회로의 발전
– 18세기 산업혁명을 통해 인간의 생활환경 획기적으로 바뀜 → 질 높은 삶 영위
– 화석연료 과다 사용 → 약 120년 후 화석연료 고갈, 지구온난화
– 환경적 욕구 충족 절실함
→ 환경문제(발전 시스템, 자동차산업, 세탁기 등) 해결을 위한 다양한 방안 필요
산업?
그것이 뭣이여?
BC 1000년
AD 1년
무분별한 자원남용
- 이상 기온
- 해수면 상승
- 자연생태계 변화
1760년
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1840년
썩어가
는지
구
2010년
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2.3 환경적 욕구
발전 시스템과 환경
 전기에너지
– 산업현장과 일상생활에서 사용하는 주요 에너지원
– 편리하고 안전한 이상적인 에너지
→ 다른 형태의 에너지로 쉽게 변환 가능, 매우 빠르게 수송 가능
 발전 시스템
– 수력발전, 화력발전, 원자력발전, 신재생에너지발전 등
→ 때로는 심각한 환경문제를 수반하는 기술위험 발생
삶의 풍요
편의성
전기에너지
생산
환경 문제
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2.3 환경적 욕구
화력발전
 특징
– 석유, 석탄, 가스 등의 연소를 통해 생성된 열에너지를 전기에너지로 변환
–
단기간 내에 원하는 장소에 설치가능, 건설비 저렴, 대기오염문제 발생
 대기오염
– 연료자원의 고갈과 많은 온실가스 배출
→ 산성비, 지구온난화, 스모그 현상, 오존층 파괴
→ 대표적인 예 : 런던 스모그(1952년), LA 스모그(1954년), 멕시코시티 스모그(1987년)
그림 2.4 에디슨과 그가 설립한 중앙화력발전소
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그림 2.5 런던 스모그 당시 대낮의 어두운 런던 시내
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2.3 환경적 욕구
원자력발전
 특징
– 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 대기오염을 막기 위한 대안
– 전력생산량(2010년) / 국내 : 40%(2030년 59% 예상), 세계 : 17%
– 대기오염을 야기하는 유해물질 배출되지 않음, 연료비용 저렴 → 경제적임
 방사선 유출
– 방사선 유출로 인한 다양한 피해 발생
→ 갑상선 질환, 백혈병, 암, 임산부의 기형아 출산 및 유산 등
→ 대표적인 예 : 소련의 체르노빌 원자력발전소 사고(1986년)
그림 2.6 아인슈타인과 원자력발전소
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그림 2.7 원전사고 직후의 체르노빌과 방사선
유출에 의한 피해
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2.3 환경적 욕구
신재생에너지발전
 특징
– 환경문제 (대기오염과 방사선유출 등) 해결하기 위한 대안 → 저탄소 녹색성장
– 친환경성, 경제성, 가용성, 기술성, 신뢰성을 충족시키는 에너지원 개발이 요구됨
→ 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 : 신재생에너지
– 신재생에너지발전 : 태양광발전, 풍력발전, 지열발전, 해양에너지발전 등
화력발전
-대기오염
-온실효과
저탄소
녹색성장
친환경성
원자력발전
-방사선 유출
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경제성
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2.3 환경적 욕구
대표적 신재생에너지발전
 태양광발전
– 태양전지셀로 구성된 축전지 및 전력변환장치로 구성→ 태양광을 전기에너지로 변환
– 소음, 진동, 환경오염 없음, 수명 20년 이상으로 비교적 오랫동안 사용 가능
– 에너지 밀도 낮음 → 넓은 공간(원자력발전의 100배 이상)이 필요함, 발전단가 비쌈
 풍력발전
– 공기유동에 의한 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 풍차를 회전
→ 기계에너지를 전기에너지로 변환
– 친환경, 저비용, 고효율 발전방식, 설치장소 제한 받음, 전력생산량 소규모
그림 2.8 복합적 신재생에너지발전 시스템(태양광, 풍력)
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그림 2.9 국내 풍력산업의 세계시장 점유율 목표
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2.3 환경적 욕구
자동차산업과 환경
 자동차산업의 환경문제
– 이산화탄소(지구온난화의 주범) 발생량 : 전체 발생량의 20%
→ 자동차의 편리성과 더불어 친환경 관련 기술개발 절실함
– 승용차와 화물차의 대기오염물질 배출량 : 전체 차량의 70%
표 2.2 국내 차종별 대기오염물질 배출량
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2.3 환경적 욕구
 자동차산업의 에너지 문제
– 석유자원 : 약 45년 후 고갈 될 것으로 예측
– 친환경 자동차 및 대체에너지를 이용한 자동차 기술 개발 필요
 미래형 자동차
– 하이브리드자동차와 연료전지자동차
그림 2.10 세계 자동차산업의 발전방향
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2.3 환경적 욕구
무세제세탁기와 환경
 물의 소중함
– 세계인구의 40% 만성적인 물 부족 (2010년)
– 우리나라 : 물의 과소비 방치 시 2025년경 물 기근 국가로 전락할 위기
 무세제세탁기
– 비누와 합성세제의 보급으로 깨끗하고 위생적인 생활 영위
→ 합성세제의 무분별한 남용으로 심각한 수질오염 초래
– 무세제세탁기 : 합성세제 대신 탄산나트륨 수용액 사용
– 자외선세탁기 : 강한 자외선을 이용하여 직물 속의 박테리아와 바이러스 퇴치
그림 2.11 세제를 사용하지 않는 무세제세탁기와 자외선세탁기
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2.4 인간적 욕구
편리성
 편리성 : 편리하고 이용하기 좋은 특성
– 기계, 장치(예 : 세탁기, 청소기, 자동차 등)를 설계 제작할 때 일반적으로 편리성 추구
 세탁기
– 세탁의 역사 : 인간이 옷을 입기 시작한 선사시대부터 시작
세탁통
+휘젓는 막대
강가에서
손 빨래
손으로 돌리는
수동세탁기
전기세탁기
그림 2.12 1800년대 중국 세탁소와 드럼식 세탁기
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2.4 인간적 욕구
 청소기
– 가사노동을 줄여주는 대표적 가정용품
– 주거환경, 근무환경 등 생활환경을 청결하게 유지
 로봇청소기
– 각종 센서들과 제어프로그램, 구동기 등 장착
– 모든 청소과정과 청소상태까지 스스로 판단하여 처리
빗자루
+
걸레
전기청소기
로봇청소기
그림 2.13 무인로봇청소기
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2.4 인간적 욕구
 자동차
– 운전기기 조작의 자동화 → 이동에서의 편의성 향상 (지능형 운전 시스템,
차량항법장치, 자동주차 시스템 등)
– 전자화, 지능화, 무인화, 인간공학 및 감성공학 기술 접목
→ 사무실 기능을 갖춘 생활공간으로서의 편의성 향상 (마사지 시트 등)
 하늘을 나는 자동차
– 제한된 도로와 지속적인 자동차의 증가로 인한 불편
→ 수 km 상공에 설치된 하늘 도로를 주행하는 하늘을 나는 자동차 개발
그림 2.14 자동차의 편의성 향상을 위한 장치
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그림 2.15 하늘을 나는 자동차
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2.4 인간적 욕구
안전성
 안전성
– 외부의 위협으로부터 생명을 지키고 안전하기를 바라는 욕구
– 제품개발 시 안전성 문제 최우선적으로 고려 ← 인간의 고귀한 생명과 직결
 자동차의 안전성
– 교통사고에 의한 물적 피해 : 18조원(2000년)
– 지능수송 시스템(ITS)의 개념 적용 → 자동차의 안전성 향상
– 적응순항제어 시스템, 세라믹 브레이크 디스크, 에어백, 차량자세제어 시스템,
차선이탈방지 시스템 등 개발
그림 2.16 적응순항제어 시스템과 세라믹 브레이크 디스크
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2.4 인간적 욕구
차량 안전성 동영상 (전자주행안전, 능동현가장치, ABS)
동영상1
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동영상2
동영상3
기계공학개론 20
2.4 인간적 욕구
쾌적성
 쾌적성
– 쾌적한 환경에서 생활하고자 하는 욕구
– 선풍기, 에어컨, 석빙고, 아이스박스, 냉장고 등 개발
 에어컨
– 에어컨 개발 역사 : 천연동굴, 죽부인 → 부채 → 선풍기 → 에어컨
– 지구온난화 → 에어컨의 수요 증대
– 윌리스 캐리어(에어컨의 아버지) : 냉수가 순환하는 냉각코일에서 물을 압축, 기화
시켜 공기로부터 증발열을 빼앗아 온도를 낮춘 후 바람으로 내보내는 방식 개발
발전 단계
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2.4 인간적 욕구
 냉장고
– 음식물을 오랜 시간 동안 쾌적한 상태에서 유지하고 신선하게 먹고 싶은 욕구
– 중국 : BC 10세기경부터 지하실에 얼음과 같이 음식물 보관
– 우리나라 : 신라시대/ 석빙고, 조선시대/ 동빙고와 서빙고에서 얼음 보존 관리
– 14세기 중국, 17세기 이탈리아 : 소금물 증발에 의한 기화열을 이용한 원시적인
냉장고 원리 터득 → 1834년 영국의 퍼킨스 : 에테르를 이용한 냉동압축기 개발
→ 1926년 미국의 GE : 밀봉된 냉장고 압축기 개발 및 대량생산
– 냉장고 덕분에 변질되지 않은 음식(푸른 야채, 소금에 절이지 않은 생선 등)을
먹음으로 건강한 생활 영위
그림 2.17 석빙고와 냉장고
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냉장고의 쾌적함
기계공학개론 22
2.4 인간적 욕구
속도감
 속도감의 욕구
– 많은 사람들이 빠른 속도와 급 가속에서 쾌감을 느낌
– 놀이동산의 놀이기구, 스키, 스노보드, 고속 수송 시스템 등 개발
 자동차
– 경주용 자동차 생산시작 : 부가티 타입 13 (1914년)
– 가장 빠른 상용차 : 부가티 베이론 16.4 슈퍼스포츠 (최고속도 시속 431km )
– 가장 빠른 차(2012년 예정) : 블러드하운드 슈퍼소닉카 (최고속도 시속 1610km )
그림 2.18 부가티 타입 13
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그림 2.19 부가티 베이론 16.4
슈퍼스포츠
그림 2.20 블러드하운드
슈퍼소닉카
기계공학개론 23
2.4 인간적 욕구
 철도열차
– 산업화가 되면서 이루어낸 가장 큰 업적
– 최초의 증기기관차 ‘블러처’ (스티븐슨 1814년) : 시속 6 ~ 8km
– ‘로켓호’ (스티븐슨 1826년) : 최대속도 시속 47km
→ 이후 철도는 산업화 시대의 최대 수송수단
–
초고속 열차시대/ 일본 : ‘신간선’, 프랑스 : ‘TGV’, 독일 : ‘ICE’ 실용화,
우리나라 : ‘KTX’ 실용화 및 지속적인 개발 진행 중
→ 최고속도 시속 210km ~ 400km로 물자의 이동과 인력의 이동 실현
그림 2.21 스티븐슨의 증기기관차
‘로켓호’
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그림 2.22 국내에서 운행중인 초고속열차 KTX와 개발 중인
동력분산형 초고속열차 HEMU-400X
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2.4 인간적 욕구
속도감 동영상 (영암 F1, KTX)
동영상1
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동영상2
기계공학개론 25
2.4 인간적 욕구
 미래열차
– 자기부상열차 : 초전도 현상 이용, 바퀴를 사용하지 않음, 레일 위를 1cm 정도 부상,
최고속도 시속 500km (일본, 독일 이미 실용화)
– 극초음속 지하철 ‘튜브트레인’ : 미국 MIT 매크로 엔지니어링 연구팀 개발 중
→ 진공상태에 가까운 튜브 속을 달림, 저항이 없기 때문에 작은 동력으로 빠른 속도
→ 미국 대륙 횡단(LA → 뉴욕) 21분만에 주파/ 최고속도 시속 2만8천km
그림 2.23 초전도 튜브트레인
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2.4 인간적 욕구
 위그선
– 위그(wig in ground)선 : 수중 양력이 급증하는 해면효과를 이용한 선박 + 항공기
→ 항공기보다 경제적이고 기존의 선박보다 빠름 (시속 100 ~ 550km)
– 3면으로 둘러 쌓인 우리나라의 경우 차세대 해양교통 수단으로 각광 예상
→ 수많은 섬과 섬 사이를 빠르게 이동 → 섬과 육지를 일일 생활권으로 만듦
그림 2.24 위그선의 개념
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기계공학개론 27
2.4 인간적 욕구
탐험심
 미지의 세계에 대한 열망
– 탐험의 역사 곧 과학기술 발전의 역사
 인류의 이동
– 의식주 문제 해결을 위한 인류의 이동
– 새로운 세계에 대한 동경과 정복욕에 의한 인류의 이동 (예 : 신대륙 탐험)
– 지상의 모든 곳을 섭렵한 인류는 불가능에 대한 도전으로 심해와 우주로 진출
(예 : 아폴로 11호의 달 탐사)
그림 2.25 산타마리아호에 의한 신대륙 탐험
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그림 2.26 아폴로 11호에 의한 달 탐사
기계공학개론 28
2.4 인간적 욕구
탐험심 동영상 (아폴로 11호, 이소연 소유즈호 발
사)
동영상1
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동영상2
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2.4 인간적 욕구
바닷속으로
 바닷속의 탐험에 대한 열망
– 물속에서 숨을 쉴 수 없는 인간이 바닷속을 자유롭게 유영하고 싶은 욕구
– 1897년 프랑스 ‘나르발’ 잠수함 개발 : 증기기관과 배터리 사용, 항해거리 160km
– 1954년 미국 ‘노틸러스호’ 개발 : 가압수형 원자로 장착, 시속 20km, 항해거리
28만km인 무한잠항 원자력잠수함
– 2009년 우즈홀해양연구소 ‘네레우스’ 개발 : 해저탐사 목적의 로봇 잠수정(무인
잠수정), 챌린저 해연(수심 10,902m)에 도달 심해 탐사 활동
그림 2.27 미 해군 잠수함 노틸러스호
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그림 2.29 ‘네레우스’ 로봇 잠수정
기계공학개론 30
2.4 인간적 욕구
하늘 너머로
 하늘을 날 수 없는 인간이 비상을 꿈꾸다
– 고대 그리스신화 ‘이카루스’ : 새의 깃털과 밀랍으로 하늘을 날지만 밀랍이 녹아 추락
→ 미지의 세계에 대한 인간의 동경
– 15세기 레오나르도 다 빈치 : 날개가 있는 항공기 ‘오르니톱터’ 스케치
→ 제작에 실패 하였으나 항공기를 개발하려는 최초의 과학적인 시도
그림 2.30 태양을 향해 나는 이카루스
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그림 2.31 오르니톱터
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2.4 인간적 욕구
하늘을 넘어 우주로
 우주를 개척하고 싶은 욕망인 탐험심의 실현
– 19세기 프랑스의 쥘 베른 : 우주개발의 꿈을 과학소설로 표현
– 1926년 미국의 로버트 고다드 : 액체 연료로켓 발사 성공
– 1942년 독일의 베르너 폰 브라운, 오베르트 : 로켓 병기(V2 로켓) 개발 성공
 우주개발에 대한 미국과 소련의 경쟁 구도로 많은 발전
– 1960년대 국제 우주정거장 및 행성탐사 등 국제협력을 통해 효율적으로 발전
그림 2.32 독일의 V2 로켓
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그림 2.33 국제 우주정거장
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2.4 인간적 욕구
건강과 생명
 우리 삶에서 무엇보다 중요한 생명
– 건강과 생명에 대한 욕구는 어떠한 욕구보다도 기본적이고 강함
– 20세기 중반까지 : 인간의 일상생활에 필요한 제품의 성능향상에 전력
– 20세기 후반부터 : 인간의 건강증진을 위한 기술발전에 관심을 가짐
→ 레포츠 기구, 첨단 의료기기 등 개발
 레포츠 기구
– 타고 다니기 힘든 1880년대 자전거 → 인체공학적 설계에 맞춘 현대 자전거
그림 2.34 1880년대 자전거
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그림 2.35 산악자전거와 안전 헬멧
기계공학개론 33
2.4 인간적 욕구
 첨단 의료기기
– 새로운 시장을 선점하기 위해 첨단 의료기기 산업으로의 진출 가속화 → 경쟁 치열
– 과거 : 2차원 영상화, 단순한 의료기기 개발
→ 2010년 : 3차원 영상진단, 인공장기, 의료 로봇 등 첨단 의료기기 개발 중
– ‘유비쿼터스 - 헬스’ 기술 개발 및 상품화
→ GE, Siemens, Philips 기업 : 의료사업을 대표 슬로건으로 내걸고 사업 집중
→ 우리나라 : IT강국의 이점, 기계 + 바이오 + 정보기술 융합 의료기술 우위확보 계획
GE
Siemens
“헬스케어”를 인프라금융과
함께 6대 글로벌 사업에 포함
“요람에서 실버까지 건강을
Philips
“가전, 조명, 헬스케어”를
지킨다” 슬로건 내걸고
3대 축으로 삼는
환자 중심의 진료 및 치료
사업구조 및 사업방향 수립
우리나라
“기계+바이오+정보”기술 접목
세계경쟁력 우위확보 계획
사업을 핵심사업으로 재편
GE사의
초음파진단시스템
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Siemens 사의
Philips 사의
개발 중인
초음파진단시스템
초음파진단시스템
복강 수술로봇
기계공학개론 34
2.4 인간적 욕구
건강과 생명 동영상 (다빈치 로봇)
동영상
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기계공학개론 35
2.5 문화적 욕구
문화적 욕구
 김치냉장고
– 김치의 감칠맛을 원하는 한국사람들의 욕구 충족
– 1993년 위니아 만도 김치연구소 : 김치냉장고 개발 착수
– 김치냉장고의 대표적 기술 : 직접냉각방식, 상부개폐방식 적용
→ 일반냉장고(3 ~ 4°C) 보다 낮은 온도 -1°C 유지, 온도변화 최소화
그림 2.36 김치냉장고
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그림 2.37 김치냉장고와 일반냉장고의 온도변화
기계공학개론 36
2.5 문화적 욕구
문화적 욕구 동영상 (김치냉장
고)
동영상
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