Transcript 기계공학개론 제2장
기계공학개론 Introduction to Mechanical Engineering 2장 사회적 욕구에 따른 기계의 발전과 정 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 3 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% Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 4 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.2 YF 쏘나타 엔진 기계공학개론 5 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 6 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 Introduction to Mechanical Engineering 1840년 썩어가 는지 구 2010년 기계공학개론 7 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 8 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.5 런던 스모그 당시 대낮의 어두운 런던 시내 기계공학개론 9 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.7 원전사고 직후의 체르노빌과 방사선 유출에 의한 피해 기계공학개론 10 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 Introduction to Mechanical Engineering 경제성 기계공학개론 11 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) Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.9 국내 풍력산업의 세계시장 점유율 목표 기계공학개론 12 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 13 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 14 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 15 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 16 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 17 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.15 하늘을 나는 자동차 기계공학개론 18 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 19 2.4 인간적 욕구 차량 안전성 동영상 (전자주행안전, 능동현가장치, ABS) 동영상1 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 21 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 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 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’ Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.22 국내에서 운행중인 초고속열차 KTX와 개발 중인 동력분산형 초고속열차 HEMU-400X 기계공학개론 24 2.4 인간적 욕구 속도감 동영상 (영암 F1, KTX) 동영상1 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 26 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 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.26 아폴로 11호에 의한 달 탐사 기계공학개론 28 2.4 인간적 욕구 탐험심 동영상 (아폴로 11호, 이소연 소유즈호 발 사) 동영상1 Introduction to Mechanical Engineering 동영상2 기계공학개론 29 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 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.31 오르니톱터 기계공학개론 31 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.33 국제 우주정거장 기계공학개론 32 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 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering Siemens 사의 Philips 사의 개발 중인 초음파진단시스템 초음파진단시스템 복강 수술로봇 기계공학개론 34 2.4 인간적 욕구 건강과 생명 동영상 (다빈치 로봇) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 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 Introduction to Mechanical Engineering 그림 2.37 김치냉장고와 일반냉장고의 온도변화 기계공학개론 36 2.5 문화적 욕구 문화적 욕구 동영상 (김치냉장 고) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 37