기계장치

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.

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.

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.

참고자료

• 〈기계장치(machinary and equipment)〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 가공

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