Ⅳ. 수 송기 술 9 기술의 특성과이용 학습 목표 1. 지식 이해 기술의 특성과 동력 발생 장치를 이해 하고, 미래의 기술을 전망할 수 있다. 2. 기능 적합한 장치를 선택하여 이용하고, 모형 장치에 알맞은 동력 발생 장치를 선택할 수 있다. 3. 가치 태도 에너지를 절약하고, 도시의 교통 문제 와 환경 보존에 노력하려는 태도를 가질 수 있다. 단원 학습의 연계성 7학년의 기술의 발달과 미래 사회 와 8학년의 제조 기술 및 9학년에서 학습한 전자 기계 기술 을 기초로 기술 의 역할과 미래의 기술을 이해한다. 01. 기술은 무엇일까? 02. 장치는 어떻게 움직일까? 03. 기술은 앞으로 어떻게 변할까? 187
9 기술의 특성과 이용 01 기술은 무엇일까? 인류는 옛날부터 이동하거나 물건을 나르기 위하여 다양한 장치를 이용해 왔으며, 오늘날 기술의 역할은 더 욱 커지고 있다. 다음은 우리 주변에서 볼 수 있는 여러 가지 장치들이다. 평소에 가졌던 장치에 대한 자신의 생각을 다음과 같은 형식으로 표현해 보자. 장치는 이다. 왜냐하면 이기 때문이다. 1. 장치의 원리는 무엇일까? 자동차, 비행기, 선박 등의 장치를 이용하여 사람이나 물건을 한 곳에 서 다른 곳으로 이동시키는 것을 이라 하며, 의 효율성을 높이기 위 한 수단과 방법을 기술이라 한다. 기술의 핵심인 장치는 대부 분 기관에서 발생한 동력을 이용하여 움직인다. 자동차는 내연 기관에서 연료를 연소시켜 얻은 동 력이나, 축전지 등의 전기 에너지를 전동기에서 땅이 앞바퀴에, 작용하는 수직 항력, 땅이 뒷바퀴에, 작용하는 수직 항력, 자동차에 작용하는, 중력, 땅이 앞바퀴를, 앞으로 미는 힘, 땅이 뒷바퀴를, 앞으로 미는 힘, 기계적 에너지로 변환하여 얻은 동력으로 바퀴를 회전시켜 주행한다. 즉, 바퀴가 회전 하며 도로면을 뒤로 밀면 작용 반작용 법칙 에 의해 도로면이 바퀴를 앞으로 미는 마찰 력으로 주행한다. 그림 9-1 자동차의 주행 원리(작용 반작용의 법칙) 타이어는 땅을 뒤로 밀고 땅은 타이어를 앞으로 밀어 자동 차가 움직이게 된다. 9. 기술의 특성과 이용 188 ---9. 9. 기술의 기술의특성과 특성과이용 이용 188 9. 기술의 특성과 이용
비행기가 하늘을 날 때는 중력, 양력, 항력과 추력의 네 가지 힘이 작용 낮은 압력, 한다. 양력은 날개에서 발생하는 힘이며, 중력은 비행기의 무게에 해당하 양력 발생, 는 힘으로 양력과 반대 방향으로 작용한다. 비행기가 일정한 속도로 수평 높은 압력, 으로 날고 있을 때에는 양력과 중력이 평형을 이룬다. 항력은 비행기가 전진할 때 공기와의 마찰로 생기는 공기의 저항력이며, 추력은 전진하는 힘으로 가스 터빈 기관, 제트 기관 등에 의한 양력 추력 항력 반작용의 힘으로 얻어진다. 비행기가 가속하 기 위해서는 항력보다 추력이 커야 한다. 중력 선박은 부력에 의해 물 위에 뜬다. 선박의 진행 방향과 반대 방향으로 작용 그림 9-2 양력 고체가 유체 속에서 움직일 때 발생하는 하는 항력을 극복하고 앞으로 나아가기 위해서는 추력이 필요하다. 힘으로, 비행기 날개 윗면과 선박의 추력은 증기 터빈 기관, 디젤 기관 등에서 발생한 동력으로 외륜, 스 밑면에 작용하는 공기의 압력 차이로 생긴다. 크루 프로펠러, 물 분사 등의 추진 장치를 작동시켜 얻는다. 외륜 방식은 선체의 양측이나 뒷부분에 설치한 외륜을 회전시켜 추진력을 얻는 방식으로, 초기의 증기선에 이용되었다. 스크루 프로펠러 방식은 선체의 뒷부분에 2~5개의 날개를 가진 프로펠러를 설치하고, 이를 회전시켜 추진력 을 얻는 방식으로, 오늘날 대부분의 선박에 이용되고 있다. 물 분사 추진 방식 선박의 특성 사람을 태우거나 물건을 싣고 물에서 항해하는 구 조물로 부양성, 적재성, 이동성의 세 가지 특성이 있다. 은 펌프로 선체 밑에서 흡수한 물을 선체 뒷부분으로 배출하여 추진력을 얻 는 방식으로, 소형 고속 선박에 널리 이용된다. 그림 9-3 부력 물에 뜬 물체는 잠긴 부분의 부피와 같은 양 의 물을 밀어내고, 밀려난 물의 무게와 같은 크기의 힘인 부력 을 받아 물 위에 뜬다. 배의 무게 부력 01. 기술은 무엇일까? 01. 기술은 무엇일까? 01. 189 01. 기술은 기술은 무엇일까? 무엇일까?-----189 01. 기술은 무엇일까?
2. 기술은 어떻게 발달해 왔을까? 인류 초기에 기관의 주된 동력원으로는 주로 사람이나 동물의 힘, 풍 력 등이 이용되어왔다. 그 후 증기 기관, 증기 터빈 기관, 가솔린 기관, 디젤 기관, 제트 기관 등이 개발되면서 기술은 오늘날과 같이 발전하였다. 육상 수단의 발전은 수레바퀴를 발명하면서 시작되었으며, 자동차는 19세기 내연 기관의 발달과 더불어 본격적으로 발전하기 시작하였다. 20세기 초 대량 생산 체제를 자동차 생산에 도입하면서 자동차의 대중화 시대가 열 리게 되었고, 현재는 하이브리드 자동차, 태양광 자동차 등이 등장하고 있다. 그림 9-4 수단의 발달사 9세기 1400~ 1800~ 16세기, 16 16세기 세기,, 레오나르도 다빈치의, 다빈치의, 비행기 스케치, 스케치, 1783년, 1783년 1783 년, 열기구, 열기구, 1893년, 1893년 년, 1893 무동력 글라이더, 글라이더, 릴리엔탈, 릴리엔탈, 9세기, 9 세기,, 세기 이용한, 노를 이용한, 바이킹선, 바이킹선, 11482년, 482 82년 년, 레오나르도 다빈치의, 다빈치의, 태엽 자동차, 자동차, 1769년, 1769년 1769 년, 최초의 증기 자동차, 자동차, 1886 1886년 1886년, 년, 최초의 내연 기관, 기관, 자동차((다임러 자동차 자동차(다임러) 다임러)) 1492년, 1492년 1492 년, 범선, 풍력을 이용한 범선, 190-9. 기술의 특성과 이용 1886년 1886 년, 1886년, 가솔린, 최초의 가솔린, 자동차((칼 벤츠) 자동차 자동차(칼 벤츠)
1900~ 2000~ 191
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탐구 활동 장치의 특징 장치에는 육상, 해상, 항공 장치가 있다. 서울에 거주하는 학생이 제주도로 여행을 가기 위해서는 여러 가지 장치를 이용해야 한다. 우리이번 제주도여행때 무엇을타고가지? 부산에가서 선박을이용하기로 했잖아. 그런데 배는시간이 너무오래걸려. 교통비가 저렴하고,운치 있는여행이될 수있을거야. 공항에가서 비행기를 타고가자. 그래서? 분위기냐,시간이냐? 이것이문제로군. 시간도절약 되고,이동하는 데피로도덜 할것같아. 1 서울에서부터 제주도까지 이용해야 할 장치를 차례대로 알아보자. 2 자동차, 철도, 선박, 비행기 의 장점과 단점을 알아보자. 쏙. 내 용 쏙. 1. 비행기에 작용하는 힘 네 가지는 무엇인가? 2. 선박이 물 위에 뜨는 원리는 무엇인가? 쑥. 생 각 쑥. 1. 자동차의 추진력을 발생하는 동력 장치의 에너지 자원을 조사해 보자. 2. 기술이 우리 생활에 미치는 영향에 대해 생각해 보자. 01. 기술은 무엇일까? - 193
9 기술의 특성과 이용 02 장치는 어떻게 움직일까? 장치를 움직이게 하는 힘은 무엇일지 생각해 보자. 그럼 우리는? 나는음식을 소화시켜움직일 힘을얻어! 장치의 동력 발생 장치로는 외연 기관, 내연 기관, 원자력 기관, 전동 기 등이 사용되고 있다. 자동차와 철도는 내연 기관 전동기 등으로부터 발생한 회전력으로 구동 바퀴를 회전시켜 움직이고, 선박은 외연 기관 내연 기관 등에서 발생한 회 전력으로 스크루 프로펠러를 회전시켜 움직인다. 그리고 비행기나 인공위성 그림 9-5 장치의 동력 발생 장치 은 내연 기관에서 발생한 회전력이나 반작용력으로 움직인다. 증기 터빈 기관, 전기 자동차, 장치의, 동력 발생 장치, 전기 에너지, 전동기, 열 에너지, 원자력 에너지, 외연 기관, 열기관, 증기 기관, 원자력 잠수함, 내연 기관, 가솔린 기관, 194-9. 기술의 특성과 이용 디젤 기관, 가스 터빈 기관, 원자력 기관, 제트 기관, 로켓 기관,
1. 외연 기관 외연 기관은 기관의 외부에서 연료를 연소시켜 만든 고온 고압의 증기를 보일러 통이나 관에 물을 넣고 가열 이용하여 동력을 발생하는 기관으로 증기 기관, 증기 터빈 기관 등이 있다. 하여 고온 고압의 증기를 발 증기 기관은 보일러에서 만든 고온 고압의 증기로 피스톤을 왕복 운동시키 생시키는 장치이다. 고, 이 운동을 크랭크축에 의해 회전 운동으로 바꾸어 동력을 얻는 기관이다. 증기 기관은 속도 조절이 쉽고 시동 회전력이 큰 장점이 있으나 열효율이 낮 고 출력보다 중량이 커서 현재는 거의 사용하지 않는다. 증기, 벨브실, 크랭크축 슬라이드, 벨브, 증기 플라이휠 밸브 로드 편심륜 배출구, 크랭크 피스톤, 실린더 피스톤 로드 커넥팅 로드 그림 9-6 증기 기관의 원리 증기 터빈 기관은 보일러에서 만든 고온 고 압의 증기를 노즐을 통해 분출시켜 고속의 증기 고온 고압, 증기, 를 만들고, 이 증기를 회전 날개에 부딪치게 하 터빈 축, 증기, 배기, 여 회전력을 얻는 기관이다. 증기 터빈 기관은 증기 기관보다 열효율이 좋 고 큰 출력을 낼 수 있어 대형 선박의 동력원으 고온 고압, 증기, 로 사용된다. 노즐, 증기, 회전 날개, 고정 날개, 그림 9-7 증기 터빈 기관의 원리 보충 학습 옛날의 장치 증기 기관을 이용한 장치로는 증기 자동차, 증기선, 증기 기관차가 있다. 증기 자동차는 18세기 중반에 만들어져 19세기 후반 가솔린 자동차가 등장할 때까지 널리 사용되었으며, 레일 위를 달리는 증기 기관차는 19세기 초 영국에서 등장하였다. 증기선은 19세기 초에 만들어졌으며, 초기의 증 기선은 사람 대신에 증기 기관이 노를 젓는 방식이었다. 01. 기술은 무엇일까? 01. 기술은 무엇일까? 01. 195 01. 기술은 기술은 무엇일까? 무엇일까?-----195 01. 기술은 무엇일까?
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조사 활동 2행정 사이클 기관 다음은 오토바이에 이용되는 2행정 사이클 기관의 모습이다. 점화 플러그, ❶ ❷ 혼합기, 상승 행정: ❶ 피스톤이 위 피스톤, 로 올라가면 소기구와 배기 배기구, 구가 닫히고, 혼합기가 압축 된다. ❷ 흡기구가 열리면서 소기구, 새로운 혼합기가 크랭크실 흡기구, 안으로 들어온다. 하강 행정: ❸ 압축된 혼합 기를 점화시키면 폭발되어 피스톤을 밀어낸다. ❹ 피스 상승 행정, 톤이 내려오면 배기구가 열 려 배기가스가 배출되고, 소 하강 행정, ❹ ❸ 배기가스, 기구가 열리면서 크랭크실 에 있던 혼합기가 실린더 안 으로 들어온다. 2행정 사이클 기관과 4행정 사이클 기관의 차이점을 조사해 보자. 비교 항목 2행정 사이클 기관 4행정 사이클 기관 기관의 구조 기관의 크기와 출력 연료 소비량과 열효율 기관의 수명 기관의 용도 01. 기술은 무엇일까? 01. 기술은 무엇일까? 01. 197 01. 기술은 기술은 무엇일까? 무엇일까?-----197 01. 기술은 무엇일까?
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가스 터빈 기관은 연소실 안에서 연소된 고온 고압의 가스를 직접 터빈에 작용시켜서 회전력을 얻는 기관이다. 가스 터빈 기관은 피스톤 기관보다 구조가 간단하고 회전이 고르며 진동이 적으나, 제작비가 비싸고 열효율이 낮다. 가스 터빈 기관은 선박이나 비행기 등 큰 출력을 요구하는 기관의 동력 발생 장치로 쓰인다. 펌프 배기 연료 출력축 공기 압축기 공기 터빈 그림 9-13 가스 터빈 기관의 구조 그림 9-14 가스 터빈 기관의 원리 바람개비가 바람의 충돌로 돌아가 는 것과 같이 가스 터빈 기관은 연소 가스의 충돌로 터빈이 돌아간다. 제트 기관은 연소실 안에서 연소된 고온 고압의 연소 가스를 뒤로 분출시 켜 그 반작용력으로 추진력을 얻는 기관이다. 제트 기관에는 터보 제트 기관, 터보 팬 제트 기관, 터보 프롬 기관, 램제트 기관 등이 있다. 초음속 비행기에는 터보 제트 기관이 주로 쓰이고, 대형 여 객기나 기에는 연료 소비율과 소음을 크게 개선한 터보 팬 제트 기관이 주로 사용된다. 팬 공기 흡입 터빈 연소실 압축기 그림 9-15 제트 기관의 구조(터보 팬 제트 기관) 그림 9-16 제트 기관의 원리 제트 기관의 추진 방식은 오징어가 물을 뿜어 앞으로 나아가는 것과 같은 방식이다. 02. 장치는 어떻게 움직일까? 02. 움직일까?----201 02. 장치는 장치는어떻게 어떻게움직일까? 02. 움직일까? 02. 장치는 어떻게 움직일까? 201 201
그림 9-17 로켓 기관의 원리 로켓 기관의 추진 방식은 풍선의 공기가 빠지면서 앞으로 나아가는 것과 같다. 로켓 기관은 제트 기관과 같이 연소실 안에서 연소된 고온 고압의 가스를 뒤로 분출하여 추진력을 얻는 기관이다. 로켓 기관은 산소를 발생시키는 추진체를 자체 내에 가지고 있으므로 공기 가 없는 대기권 밖에서도 비행할 수 있어 인공위성이나 우주선을 쏘아 올리 는 추진 기관으로 쓰인다. 추진체 안정판 그림 9-18 로켓 기관의 구조 연료와 산화제를 합한 것으 산화제 로, 고체 상태의 것과 액체 상 연료 태의 것이 있다. 액체 로켓은 고체 로켓보다 구조가 복잡하 지만, 연소의 제어가 쉽다. 연소실 몸체 원자로 핵분열 연쇄 반응에 의해 발생하는 막대한 열에너 지로 물을 가열하여 고 온 고압의 증기를 발생 시키는 장치이다. 장 치의 원자력 기관은 중소 형 원자로를 이용하여 추 진력을 얻는다. 펌프 3. 원자력 기관 원자력 기관은 원자핵이 분열할 때 발생하는 열로 물을 가열하여 고온 고 압의 증기를 발생시키고, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려서 추진력을 얻는 기 관이다. 원자력 기관은 원자력선, 잠수함, 원자력 추진 로켓 등의 동력 발생 장치로 쓰인다. 원자력선은 연소 시 배기가스가 나오지 않으므로 공해가 없어 환경 친화적이다. 그리고 원자력 추진 로켓은 생성되는 열로 수소를 높은 온도로 가열한 후 분출시켜서 추진력을 얻는다. 그림 9-19 핵 잠수함과 원자력선 원자로에서 얻는 에너지를 추진 동력으로 이용한다. 9. 기술의 특성과 이용 202 ---9. 9. 기술의 기술의특성과 특성과이용 이용 202 9. 기술의 특성과 이용
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9 기술의 특성과 이용 03 기술은 앞으로 어떻게 변할까? 환경 친화적 자동차 이야기 세계 각국의 환경과 자동차 연비 규제 강화 및 고유가 때문에 환경 친화 적 자동차 개발 경쟁이 심화되고 있다. 자동차 생산 업체들은 환경 친화 적 자동차의 수요 증가에 대응하여 관련 기술의 개발을 가속하고 있다. 환경 친화적 자동차란 CO 와 유해 물질의 배출이 적은 자동차를 말한 다. 자동차의 CO 배출량을 줄이려면 연료 소비가 적거나 CO 배출 자체가 적은 연료를 사용해야 한다. 또한, 유해 물 질의 배출량을 줄이기 위해서는 생산, 주행 및 폐차 과정에서 폐기물이나 배출 가스의 유해성이 적어야 한다. 현재 하이브리드 자동차와 함께 주목받고 있는 환경 친화적 자동차에는 어떤 것들이 있는지 생각해 보자. 오늘날에는 환경오염, 에너지 고갈 문제 등으로 인하여 현재의 장치를 대신할 수 있는 하이브리드 자동차, 자기 부상 열차 등의 기술이 주목받 고 있다. 하이브리드 자동차는 서로 다른 두 개의 동력원을 함께 사용하는 자동차로 하이브리드 2가지 기능이나 역할이 하나 로 합쳐진다는 뜻이다. 서, 일반적으로 내연 기관과 전동기가 결합되어 있다. 하이브리드 자동차는 내연 기관으로 자동차의 바퀴를 구동하는 비율을 줄이고 전동기로 이를 보완 연비 내연 기관 등의 장치에서 생 기는 기계 에너지에 대한 소 한다. 따라서 기존의 내연 기관 자동차보다 연비가 좋고 동력 성능이 우수하 며 배기가스의 배출량이 적은 환경 친화적 자동차이다. 비 연료의 비율이다. 배터리 전동기 그림 9-21 하이브리드 자동차 204-9. 기술의 특성과 이용 너희들이 고생이많다. 연료 내연기관
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연료 전지 자동차는 연료 전지에서 발생한 전기 에너지로 전기 모터를 회전 시켜 주행하는 자동차이다. 연료인 수소와 산소를 연료 전지에서 반응시키면 전기 에너지가 발생하고 물 또는 수증기가 배출되는데, 이 전기 에너지를 이 용하여 전기 모터를 회전시킴으로써 자동차가 주행한다. 연료 전지 자동차는 연료 전지에서 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환 시키므로 연료 효율이 높으며, 운동을 하는 부품이 없어 소음이 적고, 수소를 연료로 사용하므로 물 이외에 배기가스가 없는 환경 친화적인 자동차이다. 슈퍼 커패시터(super capacitor) 전기 용량의 성능을 강화하여 충전지와 같은 기능을 갖게 한 콘덴서이다. 연료 전지 자동차는 메탄올 등에서 수소를 추출하는 연료 변환 장치를 장착 하는 방식도 있지만, 최근에는 수소 연료 탱크에 수소를 고압으로 충전하는 방식이 이용되고 있다. 수소 연료 탱크 연료 전지 스택 전기 모터 제어기 공기 공급 시스템 공기 라인 (단방향) 수소 라인 (단방향) 물 라인 (양방향) 전기 라인 (양,단방향) 제어기 슈퍼 커패시터 열 관리 시스템 인라인 모터 공기 공급 시스템 수소 저장 시스템 연료 전지 스택 수소 공급 시스템 그림 9-23 연료 전지 자동차의 구조와 작동 원리 자기 부상 열차는 자기력으로 차체를 선로 위에 부상시켜 운행하는 열차이 다. 자기력은 서로 다른 두 극 사이에는 인력이, 같은 종류의 두 극 사이 에는 척력이 작용한다. 자기 부상 열차에서는 주로 전자석이나 초 전도 자석을 이용한다. 그림 9-24 자기 부상 열차 9. 기술의 특성과 이용 206 ---9. 9. 기술의 기술의특성과 특성과이용 이용 206 9. 기술의 특성과 이용
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>>> 2 4 5 6 7 1 3 7 8 9 2 3 4 1 5 6 7 8 9 >>> 210
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교 실 밖 에 서 사이버 박물관 체험하기 울산사이버체험관 http://industry.ulsan.go.kr 자동차 발전사 코너에서는 한국과 세계의 발전사를 소개 하고 있으며, 자동차 산업 코너에서는 자동차 산업의 과거와 현재, 나아갈 길을 안내하고 있다. 또한, 자동차 개발 기획, 콘셉 디자인, 제품 설계, 개발 시험, 양산 공정에 이르기까지 자동차의 생산 과정을 자세하고 알기 쉽게 소개하고 있다. 그리고 자동차 에너지와 환경, 미래 자동차 기술에 대해서도 살펴볼 수 있다. 갤러리나 콘텐츠를 다운로드 받을 수 있게 되어 있으며 여러 가지 부가 서비스를 이용할 수 있다. 사이버조선박물관 http://cybership.koje.ac.kr 사이버 상에서 선박 역사, 국내 조선 산업, 배 건조 과정 등에 대한 전반적인 이해를 돕도록 구성하였다. 또한, 배를 만드는 방법을 3차원으로 보여 준다. 사이버 교육에서는 조선에 관심이 많은 일반인이나 학생 들에게 조정 시뮬레이션, 사이버 조선 공학, 조선 공학 용어, 질의와 응답을 할 수 있는 게시판 등을 두어 전문가의 조언을 들을 수 있게 하였다. 사천 사이버항공우주센터 http://www.aerospace.go.kr 항공우주박물관에서는 군용기, 민간 항공기, 헬기 등의 사 진과 설명을 풍부하게 하고 있으며, 항공우주정보광장 코너 에서는 항공 우주 산업의 역사와 항공기의 분류, 우주선의 분류, 비행의 원리 등을 알기 쉽게 설명하고 있다. 또한, 항 공 우주 제작 체험을 통해 모형 비행기나 물로켓 제작 과정 을 자세하게 소개하고 있다. 또한, 가상 비행 체험 코너에서 는 동영상으로 가상 비행을 직접 체험할 수 있도록 하고 커 뮤니티를 통해 최신 뉴스나 자료실, 갤러리 등을 제공하고 있다. 212-9. 기술의 특성과 이용