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기계장치
기계장치(machinery and equipment , 機械裝置)는 동력을 이용해서 원재료를 물리적으로 가공하기 위한 공작장치, 작업기계 등의 기계류, 원재료를 화학적으로 가공하기 위한 화학장치, 냉동장치 등의 장치류 및 컨베이어, 호이스트, 기중기 등 반송설비, 그 외의 부속설비가 포함된다. 기계장치의 취득원가에는 운송, 설치, 시운전 등의 매입 부대비용이 가산된다. 기계와 장치는 구분이 곤란하기 때문에 일반적으로 1개의 용어로서 사용되고 있다.[1]
목차
개요
기계장치는 동력에 의하여 작업을 행하는 발전기, 전동기, 공작기계, 작업기계 등의 여러 기계와 재료 등을 내부에서 분산 변질케 하는 화학, 냉동장치 등을 포함한다. 기계장치는 일을 수행할 수 있는 장치를 말한다. 지레, 도르래, 축바퀴, 경사면, 스크루, 그리고 기어는 여섯 가지 간단한 기계장치이다. 그러나 물리에서는 2개의 기본 원리만 이해하면 된다. 즉, 지레와 경사면의 원리이다. 도르래, 축바퀴, 그리고 기어는 지레의 기계 원리를 응용한 것이다. 쐐기(wedge) 와 스크루는 경사면의 원리를 이용한 것이다. 복잡한 기계장치를 다루려면 간단한 기계장치의 원리를 파악해야 한다. 복잡한 구조의 기계장치도 결국은 간단한 기계장치의 조합이기 때문이다. 기계장치는 힘 또는 속도를 크게 하는 데 사용할 수 있다. 그러나 동시에 힘과 속도를 크게 할 수는 없다. 한 가지를 얻기 위해 다른 것을 잃어야 한다. 그렇지 않도록 하기 위해서는 기계장치에 들어오는 것보다 내보내는 것을 더 크게 하면 되는데 그것은 불가능하다.[2]
목적
- 기계장치는 물질 에너지 전환에 사용한다. 그 예로 발전기는 역학에너지(mechanical energy)를 전기에너지(electrical energy)로 바꾸어 준다.
- 기계장치는 연접봉, 크랭크축, 그리고 감속기어 (reduction gear)의 예처럼 항공기 엔진의 물질 에너지를 프로펠러에 전달하듯이 물질 에너지를 한곳에서 다른 장소로 전달한다.
- 기계장치는 힘을 확대하는 데 사용한다. 예를 들어, 도르래는 무거운 하중을 들어 올리고 끌어올리려는 하중보다 작은 힘으로 물건을 들어 올리는데 사용한다.
- 기계장치는 속도를 더욱 크게 하는 데 사용한다. 가장 좋은 예는 자전거이며 이는 큰 힘을 가하여 속도를 얻는다.
- 기계장치는 힘의 방향을 바꾸기도 한다. 그 예로 국기 게양대는 한쪽 줄에 아래쪽 방향으로 힘을 주어 다른 쪽에는 위쪽 방향으로 향하는 힘을 받아 깃발은 깃대의 꼭대기로 올린다.
지레
지레(The Lever)는 가장 간단하고 널리 알려진 기계장치이다. 우리에게 익숙한 시소는 두 사람이 시소판의 양쪽 끝에 앉고 중앙에는 중심점(pivoting point)이 있는 지레의 한 종류이다. 모든 지레에는 3개의 기본이 되는 부분으로 구성되어 있다. 즉, 받침점(fulcrum) ‘F’, 힘점(force or effort) ‘E’, 그리고 작용점(resistance) ‘R’이 있다.
그림에서 보여준 것과 같이, 받침점 ‘F’와 이 받침점에서 거리가 ‘L’인 곳에 힘점 ‘E’가 있고, 또 거리가 ‘I’인 곳에는 작용점 ‘R’이 있다. 거리 ‘L’과 ‘I’는 지레의 팔길이 (arm)이다. 회전력은 지레의 작동과 많은 관계가 있다. 사람이 시소의 한쪽 끝에 앉아 있을 때 그 사람은 시소의 중심에서의 거리만큼 작용하는 힘을 아래쪽 방향으로 가한다. 이 힘과 거리의 조합은 회전하려는 회전력을 발생시킨다.
제1종 지레
받침점이 힘점과 저항력 사이에 있는 지레를 제1 종 지레라고 한다. 시소는 바로 제1종 지레에 속하는 좋은 예이다. 이것은 필요에 따라 받침점으로부터 힘점, 또는 작용점까지의 거리를 변경할 수가 있다. 가해진 힘점에서 받침점까지 거리 증가는 받침점 에서부터 이동된 무게까지 거리와 비교하여 지레에 의해 제공하는 이득을 증가시킨다. 쇠지렛대(crow bar), 큰 가위(shear), 그리고 집게는 자주 사용하는 제1종 지레의 예이다. 또한 중심점 즉 지레의 받침점이 되는 날개에서 양력 중심, 힘점과 저항력이 되는 날개의 앞쪽과 뒤쪽에 무게를 가진 비행기의 적절한 균형도 제1종 지레의 좋은 예이다. 특정 무게를 들어 올리는데 얼마나 많은 힘점이 필요한지, 또한 특정 힘점에 의해 얼마나 많은 무게를 들어 올릴 수 있는지 계산할 때 다음의 공식을 이용할 수 있다.
실제로 이 공식은 인입 회전력과 산출 회전력이 같음을 보여준다. 이 공식과 개념은 세 가지 모든 지레에 적용되며, 일반적인 모든 간단한 기계장치에도 적용할 수 있다.
제2종 지레
제2종 지레는 받침점을 한쪽 끝에 갖고, 힘점은 다른쪽 끝에서 가해진다. 저항력은 언제나 이들 지점 사이에 있다. 그림에서 보여준 것과 같이, 외바퀴 손수레는 받침점이 한쪽 끝의 수레바퀴가 되고, 가해지는 힘점은 반대쪽이 손잡이, 그리고 무게 또는 저항력이 놓이는 중앙에 바구니가 있는 제2종 지레의 좋은 예이다. 제1종 지레와 제2종 지레는 일반적으로 비교적 작은 힘점으로 큰 저항력을 이겨내는데 도움을 주기 위하여 이용된다. 그러나 제1종 지레는 더욱 다목적으로 사용한다. 받침점에서 얼마나 가까이에 있는지, 또는 멀리 있는지에 따라서 제1종 지레는 힘을 얻거나 또는 거리를 얻도록 만들 수 있다. 그러나 이를 동시에 얻지는 못한다. 제2종 지레는 단지 힘을 얻을 수 있도록 만들 수 있다.
제3종 지레
비록 많은 노력을 들인다 할지라도 저항력의 움직임을 빠르게 하는 것이 요구될 경우가 있다. 이때 사용되는 것이 제3종 지레이다. 그림에서 보여준 것과 같이, 받침점은 지레의 한쪽 끝에 있으며 이겨내야 하는 무게 또는 저항력은 다른쪽 끝에 있고 힘점은 지레의 양끝 중간에 있다. 제3종 지레는 힘점이 받침점과 저항력 사이에서 가해지기 때문에 쉽게 식별할 수 있다. 비행기에서 접개들이식 주 착륙장치(retractable main landing gear)는 제3종 지레의 좋은 예이다. 비행기에 장착된 착륙장치의 위쪽은 중심점이다. 착륙장치의 아래쪽에서 차륜과 브레이크 어셈블리는 저항력이다. 착륙장치를 접어 들이는 유압 작동기(hydraulic actuator)는 중간 어딘가에 있고 그것이 가해지는 힘점이다.
도르래
도르래(Pulley)는 고정 축에 달린 수레바퀴와 이것을 지지하는 뼈대(frame)로 구성된 간단한 기계장치이다. 수레바퀴, 또는 원반(disk)은 보통 로프( rope)를 감을 수 있게 홈이 패어 있다. 수레바퀴를 지지하는 뼈대를 블록(block)이라고 한다. 블록과 도르래 장치가 한쌍으로 구성되면, 각 블록은 1개 이상의 도르래와 각 블록의 도르래를 연결하는 로프로 구성해야 한다.
단일 고정 도르래
단일 고정 도르래(Single Fixed Pulley)는 동일한 팔길이(arm)을 가진 제1종 지레에 불과하다. 옆에 그림에서 보여준 것과 같이, 지점 ‘R’에서 지점 ‘F’까지의 팔길이는 지점 ‘F’ 에서 ‘E’까지의 팔길이와 같다. 두 길이 모두 도르래의 반경과 같은 거리이다. 제1종 지레가 동일한 팔 길이를 가질 때 기계적 이득은 1이다. 그러므로 로프를 당기는 힘은 끌어올릴 물건의 무게와 같다. 단일 고정 도르래의 이점은 로프를 끌어당기는 방향, 즉 힘의 방향을 바꾸어 주는 것이다.
단일 이동 도르래
단일 이동 도르래(Single Movable Pulley)도 사용된 힘을 증폭시키는 데 사용할 수 있다. 그림에서 보여준 것과 같이 도르래는 움직일 수 있고 도르래로부터 연장된 두 로프는 무게를 분담하고 있다. 이 단일 이동 도르래는 도르래의 직경(diameter)이 되는 힘점 팔거리(effect arm(EF))와 도르래의 반경이 되는 저항점 팔거리(resistance arm(FM)) 를 가진 제2종 지레처럼 작용한다. 이 형태의 도르래는 도르래 직경이 도르래 반경의 2배이기 때문에 2배의 기계적 이득을 갖는다. 사용하는 데 있어서 만약 어떤 사람이 힘점 로프를 4[feet] 당긴다면 무게는 단지 2[feet]만큼 올라가게 된다. 만약 무게가 100[lb]라면 작용력은 단지 50[lb]만 필요하게 된다. 이 형태의 도르래에서 작용력은 항상 들어 올리는 무게의 반이 될 것이다.
복합 도르래
복합 도르래(Block and Tackle)는 여러 개의 복잡한 도르래로 구성되는데 그들 중 일부는 고정되어 있고 일부는 움직인다. 그림에서 보여준 것과 같이 복합 도르래는 4개의 도르래로 구성되는데 위쪽의 2개는 고정되어 있고 아래쪽의 2개는 움직인다. 오른쪽에서부터 왼쪽으로 그림을 보면 4개의 로프는 무게를 지지하고 있고 다섯 번째 로프는 힘점으로 작용하고 있다. 무게를 지지하는 로프의 수는 복합 도르래의 기계적 이득을 결정한다. 그러므로 이 경우 기계적 이득은 4이다. 200[lb] 무게를 들어 올리는 데 50[lb]의 힘이 필요하다.
기어
바깥쪽 끝에 톱니가 있는 2개의 기어(The Gear)는 하나의 기어가 다른 기어와 맞물릴 때 제1종 지레와 같이 작용한다. 인입력 (input force)으로서의 기어를 구동(Drive) 기어라고 하며 다른 것을 피동(Driven)기어라고 한다. 힘 점 팔거리는 피동기어의 직경이고 저항점 팔거리는 구동기어의 직경이다. 2개의 기어는 반대방향으로 회전한다. 왼쪽 기어(Blue)는 시계방향이고 오른쪽 기어(Yellow)는 반시계 방향으로 회전한다. 오른쪽 기어는 직경이 9[inch] 이고 45개의 톱니가 있으며 왼쪽 기어는 직경이 12[inch] 이고 60개의 톱니(teeth)를 갖고 있다. 왼쪽 기어가 오른쪽 기어를 구동시킨다고 가정한다. 즉, 왼쪽 기어가 구동하여 오른쪽 기어를 구동시킨다. 힘에 대한 기계적 이득은 힘점 팔거리를 저항 점 팔거리로 나눈다. 즉, 9÷12=0.75이다. 이것은 실제로 조금은 단편적인 불이익이라고 부른다. 왜냐하면 가해주는 힘보다 나오는 힘이 적기 때문이다. 거리에 대한 계적 이득은 12÷9=1.33이다. 이러한 결과는 큰 기어가 작은 기어를 구동시킬 때, 작은 기어가 빠르게 회전하면서 작은 힘을 전달해 주는 것을 보여준다. 기계장치가 힘을 얻기 위해 작은 기어는 큰 기어를 구동시킬 필요가 있다. 프로 펠러 감속 기어박스(reduction gearbox)와 같은 감속기어가 사용될 때, 이것은 출력되는 것보다 더 많은 rpm이 있다는 것을 의미한다. 그 결과는 힘에서의 증가로 궁극적으로 회전력이다. 베벨 기어는 회전하는 면을 변화시키기 위해 사용된다. 그러므로 수평방향으로 회전하는 축이 수직 방향 축을 회전하도록 만들 수 있다. 기어의 크기와 톱니의 수는 힘이 증가하거나 또는 rpm이 증가하든지 간에 기계적 이 득을 결정해 준다. 만약 각각의 기어가 같은 수의 톱니를 갖는다면 힘 또는 rpm에서 변화는 없다.
웜기어는 극도로 높은 기계적 이득을 갖는다. 인입력은 평기어를 구동시키는 나선형 웜기어로 들어간다. 한번의 완전한 웜기어의 회전은 오직 평기어의 1개의 톱니에 적용할 수 있는 양만큼 회전시킨다. 기계적 이득은 평기어의 톱니 수인 25개와 동일하다. 이것은 힘을 얻는 기계장치이며, 산출력이 25배나 된다.
유성기어 (planetary sun gear) 시스템은 프로펠러 감속 기어박스에서 볼 수 있는 전형적인 형태이다. 엔진의 출력축은 중앙에 있는 유성기어를 회전시키는 중앙 기어(sun gear)를 구동시켜 결과적으로 링기어(ring gear) 구동시킨다. 예를 들어 28개의 톱니를가진 중앙기어, 22개의 톱니를 가진 유성기어, 그리고 82개의 톱니를 가진 링기어가 있다. 얼마만큼의 기어감속이 일어나는지 알기 위해, 링기어의 톱니를 중앙 기어의 톱니로 나눈다. 이 경우에 기어 감속은 2.93 이며, 엔진이 프로펠러보다 2.93배 이상의 rpm을 갖는 것을 의미한다.
경사면
경사면은 간단한 기계장치로서 작은 힘으로 긴 거리를 이동하여 무거운 물건을 올리거나 내리는 것을 가능하게 한다. 경사면의 예로 산을 오르는 고속 도로와 이동 트럭의 뒤로 짐을 싣는 경사로가 있다. 경사면에서 경사면의 길이는 힘점 팔거리이고, 경사면의 높이는 저항점 팔거리이다. 만약 경사면의 길이가 높이보다 5배일 때, 5배의 힘 이득 또는 기계적 이득이 있을 것이다. 또한, 볼트, 스크루, 그리고 쐐기는 경사면의 원리를 적용한 장치의 예이다. 예를 들어 볼트는 볼트의 원주(circumference) 주위를 따라 이어진 나선상의 나삿니(spiral thread)를 갖고 있다. 나삿니가 볼트의 원주 주위로 나선상을 이룰 때 나삿니 사이에 간격이 일정한 수직거리로 이동한다. 볼트의 원주는 힘점 팔거리이고 나삿니 사이에 수직거리는 저항점 팔거리이다. 가는 나사볼트는 (inch당 나삿니가 많음) 굵은 나사볼트보다 기계적 이득이 더 크다. 정(chisel)은 쐐기의 좋은 예이다. 정은 날카로운 끝과 점점 줄어드는 옆면으로 된 길이가 8[inch]이고 폭은 1/2[inch]이다. 8[inch]의 길이는 힘점 팔거리이고 1/2[inch] 폭은 저항점 팔거리이다. 이 정(chisel)은 16의 힘 이득, 즉 기계적 이득을 제공한다.[3]
동영상
각주
- ↑ 〈기계장치〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈기계장치(machinary and equipment)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈1.4 기계 장치(Simple Machines)〉, 《ACE항공직업전문학교》
참고자료
- 〈기계장치〉, 《네이버 지식백과》
- 〈기계장치(machinary and equipment)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈1.4 기계 장치(Simple Machines)〉, 《ACE항공직업전문학교》
같이 보기
