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​설빙​ [889877] · MS 2019 (수정됨) · 쪽지

2020-05-30 20:43:15
조회수 7,851

학과소개 - 기계공학과

게시글 주소: https://orbi.kr/00030380945

1. 서론



플라스틱 빨대 여덟 개비와 A4 용지 세 장 그리고 소량의 양면테이프와 접착제만 가지고서 달걀을 3층 높이의 건물에서 안전하게 떨어뜨릴 수 있을까? 달걀 낙하 대회라고도 널리 알려진 egg-drop contest는 달걀을 낙하시키면 당연히 산산조각나는 높은 높이의 건물에서 달걀이 떨어져도 깨지지 않는 구조물을 고안하는 대회이다. 그러면서 제한된 준비물로 달걀을 깨뜨리지 않으면서 가장 빨리 낙하시키는 구조물을 설계한 참가자가 우승한다.


달걀 낙하 대회에서 우승하려면 달걀을 성공적으로 보호할 뿐만 아니라 가장 빠르게 낙하시키는 구조물을 고안해야 한다. 달걀을 안전하고 빠르게 낙하시키는 데에 있어 가장 핵심이 되는 요소는 바로 구조물과 공기 사이에 작용하는 공기의 저항력이다. 구조물은 주변의 공기를 헤치면서 낙하하는데, 공기의 저항력은 속도의 제곱에 비례하여 커지기 때문에 구조물이 공기의 저항력을 가장 적게 받는 유선형 구조일수록 속도의 상승폭이 크다. 따라서 구조물을 가장 유선형에 가까이 고안할수록 가장 빠른 시간 내에 달걀을 목표지점에 낙하시킬 수 있다.


이렇게 주어진 문제에 최적의 해답을 제시하는 학문이 바로 기계공학이다. 간단한 달걀이 아닌 훨씬 더 복잡한 비행기나 자동차를 설계할 때에도 날개나 차체 모양에 따른 공기의 저항력이 얼마나 될지를 정확하게 계산하는 것이 기계공학자의 책임이다. 또한, 속도를 최대로 높이면서 기체에 이상이 가지 않는 최적의 구조물을 설계하는 것은 말할 것도 없고 제한된 자본으로 낭비되는 자원 없이 최적의 결과물을 고안하는 것도 기계공학자의 역할이다. 


기계공학은 우리가 필요로 하는 것을 창조하며, 세상의 변화에 따라 새로운 것을 창조하는 순환을 추구한다. 기계공학의 응용범위는 세탁기나 자동차엔진과 같은 일상적인 장치들부터 시작해서 컴퓨터를 이용하여 제품을 설계하는 CAD분야, 머리카락 정도의 크기를 가진 기계나 센서들인 마이크로 머신 설계와 거대한 터빈이나 제트엔진 제조와 같이 열과 에너지에 관련된 모든 기계와 장치들을 다룰 정도로 광범위하다. 


이러한 다양성은 기계공학이 4대 역학을 기본으로 하는 기반공학이기 때문에 가능하다. 기계공학에서 다루는 가장 핵심이 되는 학문은 열역학, 유체역학, 동역학, 재료역학 등의 역학과목이다. 역학은 물리학과 궤를 같이하고, 대학교 1~2 학년에 배우는 공학물리, 미적분학, 선형대수 등 공학의 근본과목들을 선수조건으로 숙지해야 이해할 수 있어 많은 기계과 학생들이 수업 진도를 따라가는 것만 해도 어려움을 겪는다. 


하지만, 기계공학은 결국 과학이 아니라 공학이다. 과학의 발전을 목표로 두는 물리학과에서는 이러한 4대 역학을 보완하고 새로운 요소를 탐구하는 것을 목표로 하지만, 공학을 통한 창조를 목표로 두는 기계공학과에서는 4대 역학을 기본으로 새로운 기계나 제품을 창조해 내고, 그 발명품들을 통해 인류의 생존과 편리함을 도모하며 이윤을 창출하는 것을 목적을 둔다.


기계공학과에 대해 관심이 있는 분들과 기계공학과를 지망하는 학생들을 위해 이 글을 쓴다. 이 글에서는 기계공학과에서 중요하게 다루는 4대 역학에 대해 간단하게 살펴보고, 기계과 전공을 살린 진로의 예시들을 소개하고 마지막으로 결론을 지음으로써 여러분의 진로 선택에 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바램이다.



2-1. 열역학



열역학은 열역학 제1 & 2 법칙으로 대표되는 물질의 열역학적 성질 및 열역학 주요 법칙들에 대한 공부를 통해 에너지 보존과 에너지의 효율적인 변환에 대해 이해하고, 이를 바탕으로 간단한 시스템의 에너지 출입과 저장 및 변환을 분석하거나 설계할 수 있는 능력의 배양을 목표로 두는 과목이다.


고등학교 물리 시간에 배운 에너지 보존의 법칙과 열에 대한 기본적인 개념을 토대로 간단한 문제를 풀어보자. 주사기 본체의 입구를 손으로 꽉 막은 채로, 주사기의 주입기 부분을 뒤로 갑자기 잡아 뽑는다면, 주사기 본체 내부에 갇혀 있던 공기의 압력과 온도는 어떻게 변화할까? 우리는 열역학의 일반관계식과 상태방정식을 통해 공기의 압력은 낮아지고 온도는 높아질 것이라고 쉽게 예상할 수 있지만, 공기의 압력과 온도의 변화를 정확하게 수식적으로 해석하는 방법은 왠만한 기계과 전공생들도 몇 분만에 대답하기 어려워한다.


이렇게 열에너지의 상태 변화에 대해 정확한 해석방법을 제공하는 과목이 열역학이다. 열역학에서는 열에너지가 엔진 등을 비롯한 각종 기관에서 어떻게 전달되고 사용되는지에 대해 분석하는 법을 배우고 그 성능을 예측하여 우리가 일상생활에서 보는 다양한 엔진의 효율을 높이는 역할을 수행한다. 


열역학의 원리를 구현해내는 열공학 분야에서는 차세대 에너지 변환 및 이용에 관한 광범위한 연구를 수행한다. 열공학은 고효율/저공해 내연기관, 가스터빈 및 하이브리드 시스템을 개발하고 연소 및 대체연료에 관한 실험과 시뮬레이션 연구를 수행하고 있고, 최근에는 마이크로/나노기술과 에너지기술을 융합하여 그래핀, 나노유체 등의 물질을 이용하는 광에너지 및 분자에너지 원천기술 개발과 연구를 진행한다.
 


2-2. 유체역학



우리는 물과 공기로 이루어진 유체 속에서 생활하고 있다. 따라서 지구상에 존재하는 생물들과 우리가 만들어 내는 기계들도 필연적으로 유체의 영향을 받는다. 유체는 물체에 힘을 주고, 에너지를 저장하고 이동할 수 있어 산업분야에 널리 이용된다. 그러므로 유체역학은 기계공학에서 매우 기초적이며 필수적인 과목이다. 


유체역학 과목에서는 우리 주위에 일어나는 유체의 거동을 해석하는 연구를 한다. 먼저 유체의 정의 및 유체의 고유한 물성치에 대하여 배우고 운동이 없는 정지된 유체에서 나타나는 압력에 의한 힘을 다루는 정수역학을 배운다. 다음으로 유체의 운동을 해석하기 위해 수학적으로 모델링하는 방법과 실험을 위한 상사법칙을 익힌다. 유한검사체적 및 미소요소에 질량보존, 모멘텀보존, 에너지 보존 법칙을 적용하여 적분형 및 미분형 지배방정식도 각각 유도한다. 


유체역학의 원리를 구현하는 유체공학에서는 에너지, 환경, 운송수단, 의료기기, 스포츠 장비 등 다양한 분야의 성능 및 안정성을 이론, 실험, 수치해석을 통하여 예측/분석하고, 이를 향상시키는 연구를 수행하고 있다. 또한 주변 생명체들의 생존 메커니즘의 근간이 되는 유체의 운동과 관련된 응용 연구를 수행한다.



2-3. 동역학


동역학에서는 기계 시스템의 동적 거동을 이해하기 위하여 질점에 대한 운동의 해석 방법 빛 예측 방법을 학습하고, 이를 응용하여 강체의 운동을 해석 및 예측하는 방법을 학습한다. 이를 위하여 벡터 해석, 평면 및 공간상의 좌표 표현 등을 우선적으로 습득한다. 또한 질점으로부터 강체까지를 대상으로 1차원에서 3차원까지의 운동법칙을 이해하고 주어진 문제에 대한 해석을 다룬다.

미국의 한 지방에 현수교를 완공하였는데, 완공하고 얼마되지 않아 토네이도를 동반한 거센 강풍이 그 지방을 휩쓸었다. 그런데, 그 강풍에 이 현수교가 천천히 흔들리기 시작하더니, 갑자기 그 흔들림의 진폭이 커지다가 결국 현수교가 완전히 무너진 사고가 발생했었다. 이 원인은 강풍에 의하여 다리가 받았던 외부 힘의 주기가 문제의 현수교의 고유진동수와 거의 일치하여 ‘공진’이라는 현상이 일어났기 때문이다. 동역학에서는 조그마한 공진현상으로 발생할 수 있는 막대한 사고를 방지하기 위해 한치의 오차를 허용하지 않는 최적의 운동을 해석하고 예측하는 것을 목표로 둔다.


이렇게 동역학 및 제어 분야는 자동차, 로봇과 같은 기계 시스템을 개발하고 이에 대한 동역학적 분석과 시스템에 적합한 제어 알고리즘을 개발하여 창의적이고 탁월한 성능을 가진 새로운 기계 시스템을 만들어 나가는 연구를 수행하고, 뉴턴 역학과 관성 모멘트에서 라그랑주/해밀턴 역학까지 여러 개의 물체가 연결된 시스템을 해석하고 현대 수치해석 및 시뮬레이션의 근간을 마련한다.



2-4. 재료역학


재료역학에서는 정적인 물체의 평형을 고려하여 힘의 개념을 학습하고 단순한 구조물에 작용하는 힘을 분석하고 일축하중을 받는 부재 비틀림을 받는 부재 및 보에서 힘과 변형 그리고 변형률에 대한 개념을 학습하고 역학의 기본 개념인 힘 변위 및 변형률 등의 개념을 공부한다.

비행기 날개의 단면이 얼마나 커야 비행기가 떠오를 때 날개가 부러지지 않고 잘 견딜 수 있을까? 자동차를 설계할 때 어느 일정한 충격량으로부터 탑승자를 보호하려면, 차체를 어떻게 설계하여야 할까? 고등학교 물리시간에 배운 지식으로도 얼마의 힘을 날개와 차체가 견뎌야 하는가에 대해서는 복잡하지만 충분히 계산할 수 있다. 하지만, 해석을 어떤 방법으로 해서 자신의 설계가 맞다는 것을 증명해 보일 수는 없다. 


이러한 의문의 해답은 재료역학이 제공해 준다. 벡터 역학에서 배우는 물체는 강체(외력에 의해 형상이 바뀌지 않는 물체)나, 외력에 의해 물체, 엄밀히는 연속체의 형상이 어떻게 바뀌는지에 대해 분석하는 법을 배운다. 한마디로 재료역학은 '변형'을 고려하는 역학이다. 



3. 결론



포항공대 기계공학과 졸업생 진로를 살펴보면, 학사 졸업생의 77퍼센트는 대학원에 진학하고 고작 17퍼센트의 졸업생만이 취업을 선택한다. 하지만, 과기원의 특수성을 고려해 성균관대 기계공학과를 살펴보면 대학원 진학률이 현저히 줄어들고 취업률이 상대적으로 높아지지만 여전히 기계공학과는 전체적으로 다른 상경대학, 문과대학에 비해 대학원 진학률이 높은 수준에 머문다. 대학원에 진학하더라도, 결국 석사와 박사과정을 마치고는 사회로 진출하므로 결론적으로 기계공학과에 진학해 전공을 살린다면 기업체 혹은 연구소로 진학하게 된다. 


기업체로 진출하는 경우, 보통 기업에서 현장, 영업, 생산 관리, 개발 등의 직무를 두루 거치거나, 박사과정을 마친 후 우수한 실력을 증명해 낸다면 대기업의 기술연구소에 들어가 신제품을 개발하기 위한 핵심기술을 개발할 수 있다. 연구소로 진출하는 경우에는 국내의 KIST, 기계연구소(KIMM), 생산기술연구원 외에도 많은 연구소들이 있다. 


ADD(국방과학연구소)와 같은 정부출연연구소는 최소 박사학위가 필요하고 교수와 마찬가지로 프로젝트를 따기 위해 뛰어야 하는 경우들도 있지만 프로젝트를 전체적으로 관리하는 위치에 있기 때문에 비교적 스트레스를 덜 받으면서 일할 수 있다.


변리사는 특허 관련 분쟁에서 변호사 같은 역할을 하는 존재로 제조업 업종이 다양하듯이 변리사도 그에 대응되는 다양한 분야로 나뉘어져 있다. 전문 기술 영역이다 보니 이공계 출신이 많고 기계과 관련 특허 등록 대행 같은 업무가 많지만, 변리사 또한 수능이나 사법고시처럼 시험에서의 정보력도 중요하기 때문에 사천에 치밀한 준비가 필수적이다.


어렸을 때부터 기계를 분해하고 만지기 좋아하거나, 막연히 자동차가 좋거나, 비행기를 설계하여 보고 싶거나, 우주를 동경해본 경험들은 기계공학과로 진로를 결정할 때 고려할 만한 충분한 동기들이다. 하지만, 충분한 준비 없이 무작정 기계공학과에 진학한다면 어지간한 전공과목 2~3개를 뛰어넘는 공부량과 수 없이 쏟아지는 물리공식과 수학공식의 압박, 그리고 미래에 대한 막연한 불안감과 공학의 어려움 때문에 기계공학의 길을 걷는 도중 큰 벽에 가로막힐 수 있다. 


인생을 살면서 우리는 많은 결정을 해야 한다. 그 결정 중에서 대학교의 어느 학과로 진학할 지 것인가를 결정하는 것은 인생에 큰 영향을 미치는 결정 중 하나이다. 때문에, 자신이 관심있고 잘 해낼 수 있는 분야가 어떠한 분야인 것을 알고, 남들의 기대치에 부응하는 선택도 좋지만 자신이 자신의 진로를 개척해 나갔으면 한다.


공학은 창의적으로 무엇인가를 창조하는 즐거움을 주고, 그 창의적인 사고와 결과물은 곧 인간사회에 긍정적인 영향을 미친다. 이것이 바로 공학이 의학, 경영학, 법학, 과학 등과 구분되는 점이다. 그리고, 그러한 공학의 가장 큰 기반 중 하나가 바로 기계공학이다. 부디 이 글이 진로 선택에 있어 조금의 도움이 되었으면 하는 바램이다.


저번 학과소개들과 조금 다른 방향으로 적어보았어요

긴 글 읽어주셔서 감사합니다!!


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