제1장: 기계의 물리적 세계

기계는 인간의 노동을 대체하기 위해 제작된다. 그러나 많은 사람들은 기계가 어떻게 작동하는지 이해하지 못하기 때문에 기계 주변에서 불편함을 느낀다. 이 장에서는 본 교재의 이후 모든 장에서 등장하는 기본 물리 개념 — 힘, 에너지, 일, 전력, 압력 — 을 정의한다.

그림 1-1 일반적인 산업용 유압 동력 장치. 펌프, 모터, 저장 탱크 및 밸브는 종종 이와 같이 하나의 하우징 내에 통합된다.

힘

힘은 물체의 운동 상태를 변화시키거나 변화시키려는 어떤 작용이다.

뉴턴(N)

힘의 SI 단위는 뉴턴(N)이다. 미국 관행 단위계(US customary units)에서는 힘을 파운드(lbs)로 측정한다.

힘으로 인해 운동이 변화하는 세 가지 방식

힘은 물체에 대해 다음 세 가지 일을 할 수 있다:

1. 물체의 움직임을 시작시킨다.
2. 물체의 속도를 줄이거나 정지시킨다.
3. 그 운동 방향을 바꾸다.

저항력

운동을 늦추거나 정지시키는 힘은 모두 저항이라고 한다. 유압 기계에서 가장 흔한 두 가지 저항은 마찰과 관성이다.

마찰

마찰은 서로 상대적으로 움직이거나 움직이려는 경향이 있는 두 물체의 접촉면에서 발생하는 저항이다.

그림 1-3 마찰은 두 표면이 접촉하여 서로 미끄러질 때 발생한다.

관성

관성은 물체가 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질이다. 정지해 있는 물체는 정지 상태를 유지하고, 움직이는 물체는 계속해서 움직이려 한다. 관성은 질량과 직접적으로 관련이 있으며, 질량이 클수록 물체를 움직이기 시작하거나 멈추기 어렵다.

예시: 납 공은 나무 공보다 관성이 크다. 같은 힘으로 두 공을 차면 나무 공이 더 빠르고 더 멀리 날아가는데, 이는 납 공이 운동 상태의 변화에 더 큰 저항을 보인다는 것을 보여준다.

에너지

에너지란 어떤 물체를 움직이게 할 수 있는 능력을 갖춘 힘이 지닌 특성이다. 간단히 말해, 에너지는 일을 수행할 수 있는 능력이다.

운동 에너지

운동 에너지는 물체의 운동으로 인해 발생하는 에너지입니다. 움직이는 모든 물체는 다른 물체를 밀어 움직이게 할 수 있기 때문에 운동 에너지를 지닙니다. 물체의 질량이 클수록, 속도가 빠를수록 그 운동 에너지는 더 커집니다.

에너지의 형태

에너지는 기계적 에너지, 열(열 에너지), 전기 에너지, 광 에너지, 화학 에너지, 음파 에너지 등 여러 가지 형태로 존재합니다.

에너지 보존 법칙

에너지는 결코 창조되거나 소멸되지 않으며, 단지 한 형태에서 다른 형태로 전환될 뿐입니다. 이는 물리학에서 가장 중요한 법칙 중 하나입니다.

그림 1-6 에너지 보존 법칙: 에너지는 결코 소멸되지 않으며, 오직 다른 형태로 전환될 뿐입니다.

에너지 변환

벽면 콘센트에서 공급되는 전기 에너지는 사용하는 장치에 따라 전구에서는 광 에너지, 히터에서는 열 에너지, 모터에서는 기계적 운동 에너지, 스피커에서는 음파 에너지로 변환됩니다. 에너지는 항상 보존되며, 단지 형태만 바뀔 뿐입니다.

다른 예시로, 로프를 타고 미끄러질 때 신체의 운동 에너지가 로프와 손에 열로 전환되는데, 이것이 마찰로 인해 속도가 줄어들고 로프가 따뜻해지는 이유입니다.

에너지 상태

운동 에너지 — 움직이는 물체가 가진 에너지

운동 에너지는 이미 수행된 일을 나타내는 에너지로, 물체가 운동 중이기 때문에 가지는 에너지입니다. 대부분의 형태의 에너지는 유용한 일을 하기 전에 반드시 운동 상태에 도달해야 합니다.

위치 에너지 — 저장된 에너지

위치 에너지는 저장된 에너지입니다. 적절한 조건이 충족되면 위치 에너지는 운동 에너지로 전환되어 움직임을 일으킵니다. 위치 에너지는 물체의 물리적 성질 또는 기준점보다 높은 위치에서 비롯됩니다.

예시: 높은 곳에 설치된 물탱크에 저장된 물은 높이로 인해 위치 에너지를 가지며, 아래로 흘러 내려 낮은 수준에서 일을 할 수 있습니다. 회로에 연결되지 않은 배터리는 화학적 위치 에너지를 저장합니다.

그림 1-8 위치 에너지의 익숙한 두 예시: 높이 올라간 물탑과 충전된 배터리.

에너지 상태 전환

위치 에너지와 운동 에너지는 자유롭게 서로 전환된다. 탑에 저장된 물은 위치 에너지이며, 물이 경사진 길을 따라 흐를 때는 운동 에너지가 되고, 용기에 채워진 후 다시 들어 올려질 때는 다시 위치 에너지가 된다.

일

어떤 힘이 물체에 작용하여 그 물체를 일정 거리만큼 이동시킬 때, 일이 발생한다. 만약 아무것도 움직이지 않으면, 일은 발생하지 않는다.

줄(J) = N·m

일의 SI 단위는 줄(J)이다. 미국 관행 단위계(US customary units)에서는 일을 피트-파운드(ft·lbs)로 측정한다.

일 계산식

(J) = (m) × (N) 또는 (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

예시: 포크리프트가 각 팔레트를 5피트(1.524m) 높이로 들어 올릴 때 2,000파운드(8,880N)의 힘을 가한다. 팔레트 하나당 수행된 일은 다음과 같다.

그림 1-9 일 = 힘 × 거리. 지게차는 팔레트를 들어 올릴 때마다 일을 한다.

전력

일은 항상 일정한 시간 내에 수행된다. 전력(파워)은 단위 시간당 수행되는 일의 비율, 즉 단위 시간당 수행된 일의 양이다.

전력 공식

(W) = (m) × (N) ÷ (s) 또는 (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

지게차 예시를 사용하면: 10,000 ft·lb의 일이 5초 내에 수행될 경우, 전력 출력은 다음과 같다.

마력 (HP)

마력(horsepower)은 영국식 단위계에서의 전력 단위이다. 증기 기관을 발명한 제임스 와트(James Watt)는 자신의 엔진 성능을 실제 작업 중인 말과 비교하여 이 단위를 정의하였다. 그는 말이 1초 동안 550 lb의 하중을 1 ft만큼 이동시킬 수 있음을 발견하였다.

마력 공식

킬로와트(kW) = 마력(HP) × 0.746

지게차 예시: 2,000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

그림 1-11 제임스 와트(James Watt)는 일하는 말들을 관찰한 후, 1 마력(HP)을 1초당 550 ft·lbs로 정의하였다.

압력

압력(pressure)은 힘의 강도를 측정하며, 주어진 면적 위에 얼마나 집중되어 있는지를 나타낸다. 두 물체가 동일한 총 힘을 가할 수 있지만, 접촉 면적에 따라 매우 다른 압력을 발생시킬 수 있다.

일상적인 예시: 하이힐 신발과 플랫 슈즈. 둘 다 동일한 체중을 지탱하지만, 미세한 발꿈치 면적이 그 체중을 바닥에 매우 높은 압력으로 집중시키는 반면, 평평한 밑창은 동일한 힘을 넓은 면적에 분산시켜 낮은 압력을 발생시킨다. 발등에 하이힐 뒤꿈치가 찍혔던 사람은 누구나 이를 실감할 수 있다.

압력 공식

(파스칼(Pa) = N/m²) = (N) ÷ (m²) 또는 (psi) = (lbs) ÷ (in²)

단위 환산:

• 1 바(bar) = 10^5 N/m² = 10^5 파스칼(Pa)
• 1 바(bar) ≈ 14.5 psi
• 표준 대기압 = 14.7 psia = 1.01 바(bar) = 101,000 파스칼(Pa)

예시: 밑면 면적이 100 in²(645 cm²)인 블록의 무게가 100 lbs(444 N)일 때, 압력 = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi(0.07 바). 동일한 100 lbs의 하중이 밑면 면적이 0.25 in²(1.6 cm²)인 강철 핀 위에 작용할 경우: 100 ÷ 0.25 = 400 psi(27.6 바).

그림 1-12 동일한 힘, 매우 다른 압력. 면적이 작을수록 압력은 높아진다.

작동 에너지

기계가 에너지를 사용하는 방식은 일반적으로 압력을 통해 이루어진다. 압력은 운동 에너지가 하중의 표면에 작용할 때 발생한다. 작업 에너지는 운동 에너지와 압력을 결합하여 하중을 이동시킨다.

작업 에너지 변환

모든 전달 시스템에서, 하중으로 전달되는 과정에서 일부 작업 에너지가 마찰로 인해 손실된다. 이 손실된 에너지는 소멸되지 않으며, 열로 전환된다. 에너지 중 열로 전환되는 비율은 해당 시스템의 손실이며, 이는 시스템의 비효율성을 초래한다.

에너지가 파이프, 밸브 및 배관 부속품을 따라 흐르는 과정에서 마찰을 극복하기 위해 소비되므로, 공급원의 압력이 부하의 압력보다 높다.

그림 1-13: 작동 에너지가 공급원에서 부하로 흐른다. 이 과정에서 발생하는 마찰은 열을 발생시켜 부하에 도달하는 압력을 감소시킨다.

에너지 전달 방식

기계가 에너지를 공급원에서 작업이 수행되는 위치로 전달하는 방법은 총 네 가지이다.

기계식 전달

에너지가 물리적 운동을 통해 전달된다 — 레버, 체인, 기어, 풀리, 벨트, 캠 등이 여기에 해당하며, 에너지 공급원에 직접 연결된 움직이는 기계 부품이 에너지 운반체이다.

전기 전달

에너지가 전기 도체(전선)를 따라 흐르며, 모터 또는 솔레노이드와 같은 전기 액추에이터에 전달되어 작업을 수행한다.

공압 전달

에너지가 압축 공기 흐름 형태로 파이프를 통해 전달되며, 공기 실린더 또는 공기 모터와 같은 공압 액추에이터에 전달되어 작업을 수행한다.

하이드라울릭 전송

에너지가 압력이 가해진 액체(오일) 흐름 형태로 파이프를 통해 전달되어 유압 작동기(실린더 또는 모터)에 공급되며, 이곳에서 기계적 작업을 수행한다. 이는 본 강의 전체의 주제이다.

모든 기계는 궁극적으로 기계적 작업을 수행한다. 전기, 공기압, 유압 등 어떤 형태의 에너지도 부하를 이동시키기 전에 작동기에 의해 다시 기계적 에너지로 변환되어야 한다. 각 방식은 장단점이 있으며, 많은 기계는 두 가지 이상의 방식을 조합하여 사용한다.

그림 1-17 유압 전달 방식은 압력이 가해진 액체 형태로 에너지를 전달한다. 끝부분의 실린더 또는 모터가 이를 다시 기계적 힘으로 변환한다.

시스템 손실

모든 실제 전달 시스템에서는 부하에 도달하기 이전에 마찰로 인해 일부 에너지가 열로 전환된다. 작동 에너지(압력 하의 운동 에너지)는 파이프 및 밸브 내 표면에 작용하여 저항과 열을 발생시킨다. 이러한 손실은 공급원에서 부하까지의 압력 강하로 나타난다. 에너지는 보존되며, 단지 형태만 변화할 뿐이므로 시스템의 효율성이 낮아진다.