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									     기계 동역학의 역사
History of Machine Dynamics




       동역학 강의 자료



      교수 양 보 석
    부경대학교 기계공학부




         Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                History of Machine Dynamics

                                           기계 동역학의 형성과 발전 단계


 Father                Mother           제 1기 : 자연학의 시대( ~ 15 C)
                                                 (물리적인 현상을 다루는 학문영역)
                   Technical
Mechanics                               제 2기 : 역학 = 자연철학의 시대(16 C ~ 18
                     Arts              C)
                                        역학의 탄생 ( 16C)
                                        역학 원리의 형성 (17C)
                                        역학 원리의 발전과 완성 (18C)
            Machine
                                        제 3기 : 기계동역학 = 공학(Engineering)의
            Dynamics
                                                 시대 (19 C ~ )
                                        공학의 탄생 (19C 전반)
                                        체계화의 시대 (19C 후반)
                                        방법의 시대 (20C ~ )
                                Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
               중세의 운동학 (Kinematics)

중세는 결코 암흑시대가 아니고, 중세에 대한 지식이 암흑이다 (G. 서튼)
 12 C : 르네상스 시대 - 고딕 건축(웨스트민스터 사원, 쾌른 대성당의 착공 등)
 13 C : 중세의 산업혁명 - 수차동력에 의한 제철 Combinate 등 각 분야의 획기적 산업기술 발전
      (모피가공업, 대형목재 조선업, 목재남벌, 광산 남굴, 석탄의 대기오염, 하천 오염 문제)

 자연법칙(lex naturae) - 성 토마스 아퀴나스 : 자연계에는 하나님의 창조에 관계되는
 법칙성이 있고, 이 법칙성은 규칙화 되어 측정될 수 있다.

 14 C : 스콜라학파 : 이성에 의한 하나님의 법칙을 명확히 하는 것이 임무라는 인식
      아리스토텔레스의 운동이론을 비판 (J. Buridan, 1325)
      Buridan (파리대학 총장) : 공기는 운동에 있어서는 저항으로만 작용한다고 주장
       Impetus(격렬, 세력, 운동)의 개념을 도입. 일종의 힘, 그 강함은 빠르기와 물질의 양의 곱
      블라더워딘(캔터베리 대주교, 1328) : 운동의 수학적 정식화를 추구. 운동법칙 발표
       아리스토텔레스 학설(무거운 돌이 빨리 낙하)에 의문, 새 학설(동시 낙하) 제시
      하이쯔베리 (옥스포드대학 총장) : 운동의 시간적 변화를 고찰.
                       순간속도와 가속도 개념을 정의 - 머튼법칙(평균속도의 정리)


                        Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                         동역학(Dynamics)의 서광

 15 C : 대 항해시대 - 각 방면에서 현저한 기술의 혁신. 새로운 형태의 기술자 등장

 기술자 (Engineer, Ingenieur)   학자(Professor)             길드(Guild): 동업자집단
 - 길드(guild)에 속하지 않고         - 하나님에의 신앙고백(profess)     - 중세의 기술개발 담당
                             에 근거                      - 교회, 귀족을 섬김
 - 제후, 귀족(patron) 에 직속
                             - 하나님과 전 세계에 책임을 짐        - 길드가 정한 세밀한 윤리
 - 여러 종류 기술(ingenium) 개발
                             - 기술자를 천하게 여김             규정에 속박
  (주로 군사기술, 군사기술자)
                                                       - 전문가로서 강한 책임감

 16 C : 르네상스시대- 고대 그리스/로마문화 부흥 Tartablia : 측량기사, 수학자, 아르키메데스저서번역
종교개혁 : 신흥상인계급, 지방귀족과 교회와 봉건                    신과학 저술(1537)
제후의 주도권 싸움: 신병기개발, 자유기술자 양산                    최대발사거리 입증(수평면과 45도)
                                               기계학과 수학의 결합을 도모
    주철,             • 군사기술의 급속한
    실용화약 발명         발전                 Benedetti : 자유낙하체의 운동(수학, 실험방법 결합)
    대포 출현
                    • 실용학문(탄도학,                갈릴레오에 큰 영향을 줌
                    기계학) 요구
                                       Galilei : 기계에 구체적인 관심
    광산기술            • 학자도 기술성과에
                                             운동의 제 개념을 체계화, 현실운동에 적용
    발달              관심
                                             운동 현상을 설명하는 방법론을 최초 제시
                               Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                     Galileo Galilei(1564~1642)


 대학교수, 군사기술자, 기계학자
 대표작: 신과학대화(1636)
 신과학이란 종래의 정역학(힘의 평형에 관한 학문)에
대한 동역학(힘과 운동을 취급하는 학문)을 의미
 자연은 수학의 용어로 쓰여있다 고 주장하고, 수학에
기초를 둔 새로운 과학을 주장
 피사의 사탑에서의 낙하실험은 사실이 아님
 낙하물체의 운동, 진자(pendulum)의 등시성을 발견

 실험으로 역학의 기초를 세운 것이 최대의
공적
 당시의 학자와 달리 현장기술에 깊은 관심을
가지고 베네치아 대포공장, 조선공장을 자주 방문하여
기술자들의 작업을 관찰
 실험을 중요시하는 새로운 과학적 방법은
기술자들의 방식을 모범으로 탄생                              [그림] 갈릴레오의 목재 강도시험

 기술과 과학을 처음으로 연결시킨 인물                               (신과학대화, 1638)



                            Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
              동역학(Dynamics)의 형성(17 C)



 Christian Huygens(1629~1695, 네델란드)
- 정확한 시계를 얻기 위해 진자(pendulum)의 진동주기를 연구. 이는 원양항해와 관련
경도측정을 위한 정밀한 시계가 필요 했기 때문
- 진자의 진폭이 크면, 등시성이 성립하지 않고 엄밀한 등시성을 얻기 위해 진자의 현이
cycloid 곡선을 따라 운동해야 함을 발견
- 실제 제작한 시계는 재료, 가공법의 결함으로 정확히 작동하지 않았음
- 부산물로 강체동역학에 공헌, 물체의 관성모멘트 개념 탄생
- 이들 연구결과는 진자시계(1673)로 파리에서 출간. 갈릴레오 이후 뉴톤 이전의 최대
역작(물리진자의 연구성과 포함)
- 강체 동역학(Rigid Body Dynamics)의 시초


 라이프니쯔 : Dynamik(동역학) 용어 제안
 데카르트     : 운동방정식(Equation of Motion) 용어 제안
 L. Euler(1707~1783): 운동에 미적분을 최초로 사용



                          Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                동역학(Dynamics)의 형성(17 C)



 Isac Newton(1643~1727)
- 갈릴레오, 호이헨스에 이어 동역학을 완성
- 자연철학의 수학적 원리(Philosphiae Naturalis Principia Mathematics) 저술(1687)
- 역학(Mechanics)의 불후의 금자탑. 운동의 3법칙 제안
- 운동의 원인으로 힘의 개념을 도입. 이전까지의 운동학이 비로소 운동역학으로 됨
- 수학의 표현형식으로 기하학적 방법을 사용.
- 대수식은 하나도 없음. 즉, 문장과 기하학(도형)만으로 설명. [뉴톤의 운동방정식]은 이
책에 없음. 따라서 F = ma는 정확히는 Newton-Euler식
- 자연현상을 수학의 형태로 바꾸어 나타내고, 이를 풀어 현상을 해명한다 는 획기적인
방법을 제안 : 위대한 최대의 공적

 운동 제 2법칙: 질량 m에 힘 F가 작용하면, 결과로서 질량 m에 가속도 a가 발생(F = ma).
   뉴톤은 이러한 설명을 하지 않았으며, 대수식을 사용하지 않았으므로 현대식으로 나타
내면, I = Dmv 이다. 여기서 I는 선 충격량(impulse), v는 속도, mv는 선 운동량(momentum).
즉, 운동량의 변화는 충격량과 같다. 충격량이 작용하는 시간 Dt가 0이 되는 극한에서만
F = ma로 된다.


                              Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                      동역학의 발전과 완성(18 C)

 세 거인의 시대, 미적분학의 발견 – 운동의 취급이 가능, 동역학 발전의 계기

 Leonhard Euler(1707~1783)                 Louis Lagrange (1736~1813)
- 해석적으로 취급한 운동의 과학 저술(1736) :.             - D’Alembert의 후계자
운동학을 대수적으로 취급한 최초 서적,
                                           - 해석역학(Mecanique Analytique) 저술(1788) :
운동방정식의 정식화 및 해석방법을 제시
                                           제 1부: 정역학(가상속도의 원리를 기본원리)
- 탄성봉의 처짐곡선과 그 미분방정식 연구                    제 2부: 동역학(D’Alembert원리, 미정계수법,
                                           일반화좌표 도입)
- 강체운동의 이론 저술(1760) : 회전모멘트,
관성모멘트 등의 개념 정리                             - Lagrange 방정식의 유도로 유명
- 변분법, 위상학, 대수학, 미적분학 연구.                  - d’Alembert원리나 가상변위 원리의 입장에서
원주율, 대수 log, 자연대수의 밑수(e),                  운동을 정역학적으로 취급(Dynamique가 아닌
허수단위(i) 제안                                 Mecanique로 표현)
                                           - 역학은 단지 응용수학의 일부라 생각
 D’Alembert(1717~1783)
- 동역학의 완성에 공헌                                           동역학의 완성
- 역학론 (Traite de Dynamique) 저술(1743) :        Newton
                                                                       Lagrange
관성법칙, 합성운동, 평형원리로 역학 체계를                      자연철학의
                                                                       해석역학
정리                                            수학적원리         100년
                                                                        (1788)
                                               (1687)
- D’Alembert 의 원리 : 힘의 작용 하에 있는
질점계에서는 손실력(관성력, 계의 구속력 등)의
계는 평형이 된다( F – m a = 0 )
                                  Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                      공학(Engineering)의 탄생

 18세기 : 산업혁명의 시대
- 뉴코멘 기관의 발명(1712) : 광산 배수용
- 회전식 복동 증기기관의 발명(Watt, 1782) : 범용 동력기계로의 비약
- 사회적 환경 변화 (기술자의 사회적 지위향상 요구)
 민간기술자(Civil Engineer) 협회 발족(1771)
 민간기술자협회(Institution of Civil Engineer) 로의 발전(1817) : 현대적 의미의 엔지니어 성립
- 공학(Engineering)의 정의 : Engineer가 필요로 하는 기술(arts)


 19세기 : 철도와 근대적인 조선공업의 성립
- 트레비식 고압 증기기관의 발명(1796)
- 세계 최초의 영업 철도 개업(1825, 스티븐슨)
- 기계기술자협회(Institution of Mechanical Engineer; I Mech E) 설립(1847, 스티븐슨)
- 정규 학교교육의 학문배경의 기술자 등장(19세기 중반)
 직업적 발명가로는 신기술의 개발에 대응이 불가능



                                Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                              공학교육기관의 탄생

                                            3) 폰스레교수 : 일의 개념 정의(1867), 기계응용역학
 18세기 :
                                            저술(1825) – 역학문제, 현수교 하중의 동적효과,
 영국 : 영웅적인 개인발명가(산업혁명) 위주                  주기적인 힘에 의한 강제진동과 공진설명
        학교교육에 의한 기술자 양성은 무                  4) Duhamel : 일반적인 외력의 진동응답(1843),
                                            Duhamel 적분 이용
        본격적인 교육은 19세기 후반부터
프랑스 : 산업화에 뒤떨어짐. 교육의 선구                      19세기 :

        초기는 체계적 군사기술자양성 목적                    유럽 각국 Ecole Polytechnec을 모방, 학교 설립

 공병대(토목기사단, 1716), 공병학교(1720),             독일 : Technisch Hochschule(TH, 고등공과학교) (1815)
토목학교(1746) : 세계 최초의 근대적인 공과학교               영국 : Glasgow대학 학예학부 토목과 기계학
 프랑스 혁명(1789) : 대량의 기술관료의 긴급               강좌(1840)
필요, 중앙공무학교 설립                                    Scientist 최초사용(1833) : 캠브릿지 철학자 휴엘
 이공과학교(Ecole Polytechnique)로 개칭(1795)          과학을 직업으로하는 계층의 사회적 성립을 반영
 국방부소속, 기술학의 기초훈련 목적 영재 모집                 미국 : 육해군학교에서 먼저 기술자 양성(1816). 이 후
 근대공학의 개척자들 대부분이 이 학교 출신                        소규모 사립학교 설립(Rensselaer, Worcester)
 엘리트주의와 주입식 교육 : 눈부신 성과를 달성                     남북전쟁 후 주립대에 공학학과 설립 MIT(1865)
 1) Fourier : 열전도론(1822) – Fourier 급수       일본 : 工部大學校(1871) - 관리
 2) Coriolis : Coriolis 가속도(1829)                고등공업학교(1898) – 민간기업 기술자
                                              전통 직공층과 단절, 학교졸업기술자 중심 산업발전
                                    Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                      유럽과 미국의 고등기술교육기관의 설립역사

1765 Bergakademie, Freiberg(독일)                       1855 Eidgenossische Polytechnische Schule, Zurich
1795 Ecole Polytechnique, Paris (프랑스)                 1851 Royal School of Mines, London
1811 School of Naval Architecture, Portsmouth(영국)     1851 Owens College, Manchester
1815 Polytechnische Institute, Wien(오스트리아)            1852 Michigan Univ. Civil Engineering (미국)
1816 Army Academie(West Point) Civil Engineer양성       1853 Polytechnic College of State of Pennsylvania (미국)
1825 Polytechnische Schule, Karlsruhe (독일)            1864 School of Naval Architechture, Kensington (영국)
1827 Koenigliches Gewerbeinstitut, Berlin(독일)         1864 Massachusetts Institute of Technology (미국)
1828 Anderson College, Glasgow (영국)                   1864 Columbia Univ., Mines Engineering (미국)
1829 Ecole Centrale des Arts et Manufactures, Paris   1866 Kings College, London, Civil Engineering
1831 Polytechnische Schule, Hannover (독일)             1868 Cornell Univ., Engineering Course (미국)
1840 Glasgow College (최초 공학교수 취임)                     1868 Worcester Polytechnic College (미국)
1841 University College, London(공학교육 개시)              1873 Royal Naval College, Greenwich (영국)
1845 Royal College of Chemistry, London (영국)          1876 City and Guid College, London
1847 Harvard, Yale Univ., Scientific School (미국)      1870 Stevens Institute of Technology (미국)
1849 Rensselaer Polytechnic Institute (미국)            1870 Johns Hopkins, Stanford Univ. Engineering Course


                                             Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                 우리나라의 기계기술자

 경제구조(조선시대) :
- 농업사회, 수공업수준의 제조업
- 4개의 신분제도(士農工商)로 구별
- 공(工)은 직공(職工)으로, 현재 의미의 기술자가 아님
- 체계적인 양성 기관이 없었음

 기술자 양성 :
일본 기술의 독점성 유지위해 조선인의 기술훈련과 기술자양성은 억제
 1938 : 경성공업전문학교 신설
 1939 : 경성광산전문학교 신설
 1940 : 경성제국대학 이공학부
 1942 : 부산수산전문학교 신설
정원 중에 약 20~30% 만이 조선인

 1945년까지의 기계기술자 배출실적(총 90여명)
해외유학자 : 약 10여명
일본 공업전문학교 : 약 30명
국내 졸업자 : 약 50명
                        Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                 기계동역학(Machine Dynamics)의 탄생

 19 C 중엽 : 기계동역학의 탄생                철도, 조선기술의 현저한 발전


 철도의 최고시속 160 km/h의 달성(1845, 영국)
 차륜계의 불평형(unbalance)으로 노선 파손 등의 중대사고 빈발
 차륜의 평형잡이(balancing) 기술 발생


                   과학과 기술의 불가분의 관계로 발전
 19 C 후반 :
                   기계동역학이 한 학문분야로 형성되는 과정

 기계의 운동과 역학을 체계화, 공학교육의 실천 : Rankine, Reuleaux
 Rankine (1820~1872) : Glasgow College 공학강좌 교수
 Rankine Cycle(1849), 회전축의 원심력에 대하여(1849) – 위험속도를 다룬 최초 논문
 증기 및 기타 원동기, 응용역학 필수 등 저술
 Reuleaux (1829~1905) : Karlsruhe TH 수학, Zurich TH 기계설계교수(27세), 베르린공대 교수, 학장
 필라델피아로부터의 편지(1876) – 독일 공업진흥의 계기
 증기기관의 밸브선도 개발, 수학을 기술학의 보조과학으로 본 기계공학의 독자성 확립
 이론운동학(1875) 서론의 기계의 정의 가 유명
                                Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.
                                 기계 동역학의 발전

 19 C 후반 :        기계의 대형화, 고속화


 증기터빈, 디젤기관 : 발전기, 함선 등의 동력원으로 사용
 새로운 중요한 기계동역학 문제가 현장에서 제기
  불평형진동(Unbalance Vibration)
  추진축, 크랭크축의 비틀림진동(Torsional Vibration)
 기계동역학에서 기계진동학(Mechanical Vibrations)으로 발전
    Rayleigh 저, Theory of Sound(1876)


 20 C 후반 :         과학과 기술의 통합


 Frahm 논문 : 선박용 추진축의 비틀림 진동(1902)
 Hort 저서 : 공업진동학 (1910) – 미분방정식의 수치해법으로 Runge 법 취급
 Geiger 논문 : 기계 진동과 그 측정(1927)
 Timoshenko 불후의 명저 : 공업진동학(1928) - 진동학 체계의 모델
 Den Hartog 저 : 기계진동학(Mechanical Vibration)(1945) – 학문적 체계 완성
                                    Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.

								
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