기계
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1. 개요
기계는 동력(힘)을 관리하여 작업을 수행하는 장치로, 단순 기계에서 복잡한 시스템까지 다양한 종류가 있다. 기계는 인류 역사와 함께 발전해 왔으며, 아르키메데스 시대의 지렛대, 도르래와 같은 단순 기계에서 시작하여, 산업 혁명 시기 증기 기관의 발명으로 급격한 발전을 이루었다. 현대에는 전기 모터, 유압/공압 시스템, 전자 기기 등 다양한 동력원을 활용하며, 자동화 기술과 결합하여 생산성과 효율성을 높이는 데 기여하고 있다. 기계는 단순 기계, 공구 구성 요소, 열기관, 전자 기기 등 다양한 종류로 분류되며, 산업과 일상생활 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.
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| 기계 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 개요 | |
| 정의 | 동력으로 움직이는 장치 |
| 분류 | 단순 기계 복합 기계 |
| 작동 원리 | 힘 운동 에너지 |
| 역사 | |
| 고대 | 바퀴 지레 도르래 나사 경사면 쐐기 |
| 산업 혁명 | 증기 기관 방직 기계 공작 기계 |
| 유형 | |
| 동력 발생 기계 | 엔진 모터 |
| 작업 기계 | 공작 기계 농업 기계 건설 기계 |
| 운반 기계 | 자동차 기차 비행기 |
| 제어 기계 | 컴퓨터 로봇 |
| 주요 부품 | |
| 기어 | 기어비 톱니바퀴 |
| 베어링 | 미끄럼 베어링 구름 베어링 |
| 축 | 회전축 동력 전달 |
| 링크 | 링크 기구 운동 변환 |
| 기계 공학 | |
| 설계 | CAD CAM |
| 제조 | 절삭 가공 주조 단조 |
| 유지 보수 | 점검 수리 |
| 응용 분야 | |
| 산업 | 생산 자동화 |
| 농업 | 경운 수확 |
| 건설 | 토목 건축 |
| 의료 | 진단 치료 |
| 교통 | 운송 물류 |
| 가정 | 가전 제품 주방 기기 |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | A History of Mechanical Inventions |
| 관련 문서 | 기계 요소 자동화 로봇 공학 |
2. 역사
기계의 역사는 인류 문명의 발전과 함께 해왔다. 고대에는 단순한 도구에서 시작하여 점차 복잡한 기계 장치로 발전했으며, 이는 생산성 향상과 생활 방식의 변화를 가져왔다.
17세기에는 "machine"이라는 단어가 계획이나 음모를 뜻하기도 했으나, 현대적 의미는 극장 무대 장치와 군사용 공성병기에 사용되면서 발전했다. 존 해리스는 ''Lexicon Technicum''(1704)에서 기계를 "역학에서 어떤 물체의 운동을 발생시키거나 멈추는 데 충분한 힘을 가진 어떤 것"으로 정의하고, 단순 기계를 여섯 가지(저울, 지렛대, 도르래, 바퀴, 쐐기, 나사)로 분류했다.
제임스 와트는 1782년 이중 작동 증기 기관을 실용화한 평행 운동 링크를 특허받았다.[36] 볼턴과 와트 증기 기관은 증기 기관차, 증기선, 공장을 구동하는 데 사용되었다.
산업 혁명은 1750년부터 1850년까지 농업, 제조업, 광업, 교통 및 기술의 변화가 사회, 경제, 문화에 큰 영향을 미친 시기였다. 영국에서 시작되어 서유럽, 북미, 일본 등으로 확산되었다. 18세기 후반 영국에서 수작업 및 말을 이용한 경제에서 기계 기반 제조로 전환이 시작되었으며, 섬유 산업 기계화, 제철 기술 발전, 정제된 석탄 사용 증가가 그 시초였다.
1690년 드니 파팽이 원시적인 증기기관을 개발했고, 1712년 토마스 뉴커먼이 증기기관을 실용화했다.[67]
2. 1. 고대 ~ 17세기 (산업 혁명 이전)
아르키메데스는 기원전 3세기경 지레, 도르래, 나사[74][75] 등 단순한 기계들을 연구했으며, 지레에서 기계적 확대율의 원리를 발견했다.[76]"machine"(기계)이라는 영어 단어는 중세 프랑스어를 거쳐 라틴어 machinala[2]에서 유래했으며, 이는 다시 그리스어 (도리스 μαχανάgrc , 이오니아 μηχανήgrc '장치, 기계, 엔진')[3]에서 파생된 것으로, μῆχοςgrc '수단, 방책, 치료법'[4][5]에서 유래했다. "mechanical"(기계적인)이라는 단어도 같은 그리스어 어근에서 유래한다.
쐐기 모양으로 만든 손도끼는 인간의 손에 의해 도구의 힘과 움직임을 가공물의 횡방향 분할력과 움직임으로 변환하는 가장 오래된 단순 기계이다. 경사면(경사로)은 선사 시대부터 무거운 물체를 옮기는 데 사용되었다.[6][7][8]
바퀴와 바퀴와 축은 기원전 5천년경 메소포타미아(현대 이라크)에서 발명되었다.[10] 지레는 약 5,000년 전 근동에 처음 등장하여 간단한 저울[11]에 사용되었고, 고대 이집트 기술에서 큰 물체를 옮기는 데 사용되었다.[12] 지레는 최초의 크레인 기계인 사두프 물 퍼올림 장치에도 사용되었는데, 기원전 3000년경 메소포타미아[11]와 기원전 2000년경 고대 이집트 기술에 등장했다.[13] 도르래의 초기 증거는 기원전 2천년대 초 메소포타미아[14]와 고대 이집트의 제12왕조(기원전 1991~1802년) 시대에 나타났다.[15] 나사는 기원전 911~609년 신아시리아 시대 메소포타미아에 처음 등장했다.[14] 이집트 피라미드는 경사면, 쐐기, 지레라는 세 가지 단순 기계를 사용하여 건설되었다.[17]
풍력 기계인 풍차와 풍력 펌프는 서기 9세기에 현재 이란, 아프가니스탄, 파키스탄에 있는 이슬람 세계에 처음 등장했다.[21][22][23][24] 증기력 기계는 증기 터빈으로 구동되는 증기식 잭이었는데, 1551년 타키 알딘 무하마드 이븐 마르푸프가 오스만 이집트에서 설명했다.[25][26]
면방기는 서기 6세기에 인도에서 발명되었고,[27] 방적기는 11세기 초 이슬람 세계에서 발명되었으며,[28] 둘 다 면화 산업의 성장에 중요한 역할을 했다.
프로그래밍 가능한 악기인 시퀀서는 9세기에 바누 무사 형제가 ''독창적인 장치의 책''에서 설명한 자동 피리 연주기였다.[30][31] 1206년, 알 자자리는 프로그래밍 가능한 오토마타/로봇을 발명했다. 그는 프로그래밍 가능한 드럼 머신으로 작동되는 드러머를 포함한 네 명의 오토마톤 음악가를 설명했는데, 이들은 서로 다른 리듬과 드럼 패턴을 연주하도록 만들 수 있었다.[32]
르네상스 시대에는 단순 기계의 역학이 연구되기 시작하여 기계적 일의 개념이 나타났다. 1586년 사이먼 스테빈은 경사면의 기계적 이점을 유도했고, 1600년 갈릴레오 갈릴레이는 ''Le Meccaniche''("기계론")에서 단순 기계의 완전한 역학 이론을 설명했다.[33][34] 그는 단순 기계가 에너지를 생성하는 것이 아니라 단지 변환한다는 것을 처음으로 이해했다.[33]
기계의 미끄럼 마찰에 대한 고전적인 법칙은 레오나르도 다 빈치(1452~1519)가 발견했지만, 그의 노트북에는 출판되지 않았다. 이 법칙은 기욤 아몽통(1699)에 의해 재발견되었고, 샤를 오귀스탱 드 쿨롱(1785)에 의해 더욱 발전되었다.[35]
증기기관이 개발되기 이전의 기계는 사람의 힘(예: 베틀)이나 수차, 풍차, 말 등을 동력원으로 하여 움직였다.
수차 등에서 볼 수 있듯이, 동력원의 단순한 운동을 다른 종류의 운동으로 변환할 필요성으로부터 기계는 점차 복잡해졌고, 톱니바퀴나 캠, 도르래, 크랭크와 같은 기구가 차례로 개발되었다. 이 중 가장 정교한 것은 시계였으며, 1736년에는 존 해리슨이 정확한 크로노미터를 완성했다. 시계 산업은 분업에 의한 제작 방식을 채택하여 정밀한 부품을 정확하게 조립할 수 있는 고도의 기술을 가진 장인 집단을 만들었고, 이 기술은 증기기관이나 방적기와 같이 높은 정밀도가 요구되는 기계의 생산을 가능하게 했다.[66]
2. 2. 산업 혁명 (18세기 ~ 19세기)
1733년 존 케이가 날틀을 발명하면서 방직 기계 개량이 시작되었다.[68] 1764년 제임스 하그리브스가 제니 방적기를 개발하여 방적 공정이 개선되었고,[69] 1770년 리처드 아크라이트가 수력 방적기를 개발하면서 방직 기계는 인력에서 동력을 이용하는 것으로 변화했다.[70]1769년 제임스 와트는 복수기를 독립시킨 새로운 증기기관을 개발하여, 인류는 진정으로 강력한 동력원을 얻고 산업화를 수행할 수 있게 되었다.
1785년 에드먼드 카트라이트가 증기기관을 동력으로 하는 파워룸을 개발했다. 1804년 리처드 트레비식이 증기기관차를 발명하고, 1807년 로버트 풀턴이 증기선을 실용화하면서 운송 기계라는 새로운 기계가 탄생하여 교통에도 증기기관이 응용되었다.
1800년 헨리 모즐리가 실용적인 나사 절삭 선반을 발명[71]하여 볼트와 너트 생산이 용이해져 기계화의 기반이 되었다. 모즐리는 공작 기계의 아버지라고도 불린다.
19세기에 들어서면서 이러한 기계 기술 발전을 기반으로 산업화가 급속도로 진행되어, 인력에 의존하던 산업 분야가 잇따라 기계화되기 시작했다. 공장에 대규모 산업 기계가 설치되면서 등장한 공장제 기계 공업은 세계 산업화를 급속히 추진하는 계기가 되었다. 19세기 후반에는 미싱과 세탁기가 발명되어 각 가정에 점차 보급되면서 가사 노동에도 기계가 사용되기 시작했다.
2. 3. 20세기 이후 ~ 현재
19세기 말, 미국에서 발명가 토마스 에디슨에 의해 전력 회사가 설립되었고, 천재 니콜라 테슬라도 고용되어 삼상 교류와 전기 모터의 연구 및 이용이 추진되었다. 20세기 초에는 전기식 진공청소기도 발명되었다.
3. 기계의 종류
기계는 크게 단순 기계와 복합 기계로 나뉜다.
| 구분 | 종류 | |
|---|---|---|
| 단순 기계 | 사면, 바퀴, 축바퀴, 지레, 도르래, 쐐기, 나사[6] | |
| 공구 구성 요소 | 기어, 밧줄, 용수철, 바퀴, 축, 베어링, 벨트, 방취판 (하수구 S자형 관), 롤러 체인, 링크 체인, 래크와 피니언 톱니바퀴, 잠그개, 열쇠 | |
| 시계 | 원자 시계, 크로노미터, 진자 시계, 석영 시계 | |
| 압축기와 펌프 | 아르키메데스 나선양수기, 에덕터 제트 펌프, 자동 양수기, 펌프, 진공 펌프 | |
| 열기관 | 외연기관 | 증기기관, 스털링 엔진 |
| 내연기관 | 왕복기관, 방켈 엔진, 제트 기관, 로켓, 가스 터빈 | |
| 링크 장치 | 팬터그래프 | |
| 터빈 | 가스 터빈, 제트 기관, 증기 기관, 수력 터빈, 풍력 발전기, 풍차 (공기 터빈) | |
| 프로펠러 날개 | 돛, 날개, 방향키, 플랩, 프로펠러 | |
| 전자 기기 | 컴퓨터 기기 | 계산기, 컴퓨터, 아날로그 컴퓨터 |
| 전자 | 트랜지스터, 다이오드, 축전기, 저항기, 유전체 | |
| 기타 | 로봇, 자판기, 풍동, 체중계 | |
'''기계 시스템'''은 힘과 움직임을 이용하여 작업을 수행하고 동력을 관리한다. 현대 기계는 동력원과 작동기, 기구 시스템, 제어기, 운영자 인터페이스 등으로 구성된다. 프란츠 레울레[42]는 기계를 "저항하는 물체들의 조합으로, 자연의 기계적 힘을 특정한 운동을 수반하는 작업을 하도록 강제하는 것"이라고 정의했다. 최근에는 Uicker 외.[43]는 "동력을 적용하거나 방향을 바꾸는 장치", McCarthy와 Soh[44]는 "동력원과 기구로 구성된 시스템"이라고 정의했다.
"기계적"이라는 형용사는 기계학에서 다루는 것처럼 움직임, 물리적 힘 등과 관련된다.[40] 기계 시스템의 ''기구''는 ''기계 요소''로 구성되며, 구조 요소와 기구로 나뉜다.[42][43] 체비셰프-그뤼블러-쿠츠바흐 기준은 기구의 자유도를 설명한다.
산업 분류상 기계는 다음과 같이 나뉜다.[72]
| 종류 | 내용 |
|---|---|
| 일반 기계장치 | 보일러·원동기, 펌프·압축기기, 컨베이어, 크레인 등 |
| 생산용 기계장치 | 농업용 기계, 건설기계·광산기계, 섬유기계, 식품기계, 목재가공기계, 펄프장치·제지기계, 인쇄·제본·제지기계, 포장·하역기계, 기초소재 산업용 기계, 금속가공기계, 반도체·평판 디스플레이 제조장치, 진공장치, 로봇 등 |
| 업무용 기계장치 | 사무용 기계장치, 서비스용·오락용 기계, 계량기·측정기·분석기기·시험기·측량기계장치·이화학기계장치, 의료용 기계장치, 광학기계, 무기 |
| 전기 기계장치 | 발전용·송전용·배전용 전기 기계장치, 산업용 전기 기계장치, 민생용 전기 기계장치 |
| 정보통신 기계장치 | 전화기, 팩시밀리, 휴대전화기 등 통신 기계장치, 비디오카메라, 마이크, 헤드폰 등 영상·음향 기계장치, 컴퓨터 |
| 수송용 기계장치(수송기계) | 자동차, 철도차량, 자전거, 선박, 항공기, 지게차 등 |
3. 1. 단순 기계
단순 기계는 사면, 바퀴, 축바퀴, 지레, 도르래, 쐐기, 나사로 구성된다.[6]
손도끼는 부싯돌을 쪼개어 쐐기 모양으로 만든 것으로, 인간의 손에 의해 도구의 힘과 움직임을 가공물의 횡방향 분할력과 움직임으로 변환한다. 손도끼는 대부분의 기계의 기반이 되는 여섯 가지 고전적인 단순 기계 중 가장 오래된 것인 쐐기의 첫 번째 예시이다. 두 번째로 오래된 단순 기계는 경사면(경사로)이며,[6] 선사 시대부터 무거운 물체를 옮기는 데 사용되었다.[7][8]
다른 네 가지 단순 기계는 고대 근동에서 발명되었다.[9] 바퀴와 바퀴와 축 기구는 기원전 5천년경 메소포타미아(현대 이라크)에서 발명되었다.[10] 지레 장치는 약 5,000년 전 근동에 처음 등장하여 간단한 저울[11]에 사용되었고, 고대 이집트 기술에서 큰 물체를 옮기는 데 사용되었다.[12] 지레는 또한 최초의 크레인 기계인 사두프 물 퍼올림 장치에도 사용되었는데, 이 장치는 기원전 3000년경 메소포타미아[11]와 기원전 2000년경 고대 이집트 기술에 등장했다.[13] 도르래의 가장 초기 증거는 기원전 2천년대 초 메소포타미아[14]와 고대 이집트의 제12왕조(기원전 1991~1802년) 시대에 거슬러 올라간다.[15] 나사는 발명된 단순 기계 중 가장 마지막이며,[16] 기원전 911~609년 신아시리아 시대 메소포타미아에 처음 등장했다.[14] 이집트 피라미드는 경사면, 쐐기, 지레라는 세 가지 단순 기계를 사용하여 건설되었다.[17]
아르키메데스는 기원전 3세기경 지레, 도르래, 나사.[18]를 연구하고 설명했으며, 지레의 기계적 이점 원리를 발견했다.[19] 후대 그리스 철학자들은 고전적인 다섯 가지 단순 기계(경사면 제외)를 정의하고 그 기계적 이점을 대략적으로 계산할 수 있었다.[1] 알렉산드리아의 헤론은 그의 저서 ''메카니카''에서 "하중을 움직이게 할 수 있는" 다섯 가지 기구, 즉 지레, 윈들러스, 도르래, 쐐기, 나사를 열거하고[18] 그 제작과 용도를 설명한다.[20]
르네상스 시대에 단순 기계로 불리는 ''기계적 능력''의 역학은 그들이 얼마나 많은 유용한 일을 수행할 수 있는지라는 관점에서 연구되기 시작하여 기계적 일의 개념으로 이어졌다. 1586년 사이먼 스테빈은 경사면의 기계적 이점을 유도했고, 다른 단순 기계와 함께 포함되었다. 1600년 갈릴레오 갈릴레이는 ''Le Meccaniche''("기계론")에서 단순 기계의 완전한 역학 이론을 설명했다.[33][34] 그는 단순 기계가 에너지를 생성하는 것이 아니라 단지 변환한다는 것을 이해한 최초의 사람이었다.[33]
기계가 단순히 움직이는 요소들로 분해될 수 있다는 아이디어는 아르키메데스가 지렛대, 도르래, 나사를 단순 기계로 정의하도록 이끌었다. 르네상스 시대에는 바퀴와 축, 쐐기, 경사면이 이 목록에 추가되었다.
- 쐐기 (손도끼): 동력을 관리하도록 설계된 최초의 예는 손도끼이며, 양면석기 및 올로르게사일리라고도 불린다. 손도끼는 부싯돌을 쪼개어 양면날 또는 쐐기를 형성하여 만든다. 쐐기는 도구의 측면 힘과 움직임을 가공물의 횡 방향 분할력과 움직임으로 변환하는 단순 기계이다. 힘과 움직임의 곱인 동력은 사용하는 사람의 노력에 의해 제한되지만, 쐐기는 움직임을 줄임으로써 힘을 증폭한다. 이 증폭 또는 기계적 이점은 입력 속도와 출력 속도의 비율이며, 쐐기의 경우 1/tanα (α는 끝 각도)로 주어진다.
- 지렛대: 동력을 관리하는 중요하고 단순한 장치로, 받침점을 중심으로 회전하는 물체이다. 받침점에서 멀리 떨어진 지점에 힘을 가하면 속도 감소와 함께 받침점 근처에서 힘이 증폭된다. ''a''가 입력력이 적용되는 지점에서 피벗까지의 거리이고 ''b''가 출력력이 적용되는 지점까지의 거리라면 ''a/b''는 지렛대의 기계적 이점이다.
- 바퀴: 전차와 같은 중요한 초기 기계이다. 바퀴는 지렛대의 법칙을 사용하여 하중을 당길 때 마찰을 극복하는 데 필요한 힘을 줄인다. 바퀴 축에 하중을 지지하는 단순 베어링의 마찰은 지면에서 하중을 당기는 것과 관련된 마찰과 거의 같지만, 바퀴는 지렛대를 형성하여 당기는 힘을 증폭하여 베어링의 마찰 저항을 극복한다.
넓은 의미의 기계에는 지렛대나 차축과 같은 단순 기계와 그것들을 조합한 복합 기계가 있다.[63] 이 정의에서는 지점에 받쳐진 지렛대, 사용 중인 플라이어, 힘점이 있는 도르래 등도 기계에 포함된다.[63]
3. 2. 복합 기계
단순 기계를 조합한 복합 기계에는 기어, 도르래, 축바퀴, 로프, 사슬, 벨트, 캠, 스프링, 밀폐된 액체 등의 기계 부품들을 다소 복잡하게 결합한 것이 포함된다.[63] 넓은 의미에서 지렛대나 차축과 같은 단순 기계와 그 조합으로 만들어진 복합 기계도 기계에 포함되지만,[63] 상관 운동이 보이지 않는 망치, 톱, 끌, 대패 등의 도구는 일반적인 의미의 기계에는 포함되지 않는다.[63]다음은 복합 기계의 예시이다.
| 구분 | 종류 | |
|---|---|---|
| 공구 구성 요소 | 기어, 밧줄, 용수철, 바퀴, 축, 베어링, 벨트, 방취판 (하수구 S자형 관), 롤러 체인, 링크 체인, 래크와 피니언 톱니바퀴, 잠그개, 열쇠 | |
| 시계 | 원자 시계, 크로노미터, 진자 시계, 석영 시계 | |
| 압축기와 펌프 | 아르키메데스 나선양수기, 에덕터 제트 펌프, 자동 양수기, 펌프, 진공 펌프 | |
| 열기관 | 외연기관 | 증기기관, 스털링 엔진 |
| 내연기관 | 왕복기관, 방켈 엔진, 제트 기관, 로켓, 가스 터빈 | |
| 링크 장치 | 팬터그래프 | |
| 터빈 | 가스 터빈, 제트 기관, 증기 기관, 수력 터빈, 풍력 발전기, 풍차 (공기 터빈) | |
| 프로펠러 날개 | 돛, 날개, 방향키, 플랩, 프로펠러 | |
| 전자 기기 | 컴퓨터 기기 | 계산기, 컴퓨터, 아날로그 컴퓨터 |
| 전자 | 트랜지스터, 다이오드, 축전기, 저항기, 유전체 | |
| 기타 | 로봇, 자판기, 풍동, 체중계 | |
'''기계 시스템'''은 힘과 움직임을 포함하는 작업을 수행하기 위해 동력을 관리한다. 현대 기계는 (i) 힘과 움직임을 생성하는 동력원과 작동기들, (ii) 작동기 입력을 특정한 출력 힘과 움직임의 응용을 달성하도록 형성하는 기구 시스템, (iii) 출력을 성능 목표와 비교한 다음 작동기 입력을 지시하는 센서가 있는 제어기, 그리고 (iv) 레버, 스위치 및 디스플레이로 구성된 운영자 인터페이스로 구성된 시스템이다. 왓트의 증기 기관은 증기가 팽창하여 피스톤을 구동하는 동력을 제공하고, 보행 빔, 커플러 및 크랭크는 피스톤의 직선 운동을 출력 풀리의 회전으로 변환하며, 풀리 회전은 피스톤 실린더로의 증기 입력을 제어하는 플라이볼 조정기를 구동한다.
"기계적"이라는 형용사는 기계학에서 다루는 것과 같이 움직임, 물리적 힘, 특성 또는 작용제와 관련되거나 그에 의해 발생하는 것을 의미한다.[40]
기계를 통한 동력 흐름은 레버와 기어 트레인부터 자동차 및 로봇 시스템에 이르기까지 다양한 장치의 성능을 이해하는 방법을 제공한다. 독일의 기계공학자 프란츠 레울레[42]는 기계를 "저항하는 물체들의 조합으로, 그 수단을 통해 자연의 기계적 힘을 특정한 운동을 수반하는 작업을 하도록 강제할 수 있다"고 정의했으며, 힘과 운동이 결합하여 일률을 정의한다는 점에 주목했다.
최근에는 Uicker 외.[43]는 기계를 "동력을 적용하거나 방향을 바꾸는 장치"라고 정의했고, McCarthy와 Soh[44]는 기계를 "일반적으로 동력원과 이 동력을 제어하여 사용하기 위한 기구로 구성된 시스템"으로 설명한다.
기계 시스템의 ''기구''는 ''기계 요소''라고 하는 구성 요소들로 조립된다. 이러한 요소들은 시스템의 구조를 제공하고 움직임을 제어한다. 구조적 구성 요소에는 프레임 부재, 베어링, 스플라인, 스프링, 씰, 고정 장치 및 커버가 있으며, 커버의 모양, 질감 및 색상은 기계 시스템과 사용자 간의 스타일 및 작동 인터페이스를 제공한다. 움직임을 제어하는 조립체는 "기구"라고도 불리며,[42][43] 기어 및 기어 트레인(벨트 구동 및 체인 구동 포함), 캠 및 추종자 기구, 링키지 등으로 분류된다. 클램핑 링키지, 인덱싱 기구, 이스케이프먼트, 브레이크 및 클러치와 같은 마찰 장치도 기구에 포함된다. 기구의 자유도 또는 이동성은 링크와 조인트의 수, 그리고 기구를 구성하는 데 사용되는 조인트의 유형에 따라 달라지며, 체비셰프-그뤼블러-쿠츠바흐 기준에 의해 설명된다.
3. 3. 기관
단순 기계에는 사면, 바퀴, 축바퀴, 지레, 도르래, 쐐기, 나사가 있다.[6] 바퀴와 바퀴와 축 기구는 기원전 5천년경 메소포타미아(현대 이라크)에서 발명되었다.[10] 지레는 약 5,000년 전 근동에서 처음 등장하여 간단한 저울[11]에 사용되었고, 고대 이집트 기술에서 큰 물체를 옮기는 데 사용되었다.[12] 또한 최초의 크레인 기계인 사두프 물 퍼올림 장치에도 사용되었는데, 기원전 3000년경 메소포타미아[11]와 기원전 2000년경 고대 이집트 기술에 등장했다.[13] 도르래의 가장 초기 증거는 기원전 2천년대 초 메소포타미아[14]와 고대 이집트의 제12왕조(기원전 1991~1802년) 시대에 거슬러 올라간다.[15] 나사는 발명된 단순 기계 중 가장 마지막이며,[16] 기원전 911~609년 신아시리아 시대 메소포타미아에 처음 등장했다.[14]열기관에는 외연기관과 내연기관이 있다. 외연기관에는 증기기관, 스털링 엔진이 있으며, 내연기관에는 왕복기관, 방켈 엔진, 제트 기관, 로켓, 가스 터빈이 있다.
증기 기관은 압력 용기에 담긴 물을 가열하여 증기를 발생시키고, 팽창하는 증기로 피스톤이나 터빈을 구동한다. 자동차 엔진은 실린더 내부에서 연료를 연소(발열 화학 반응)시키고 팽창하는 가스를 사용하여 피스톤을 구동하기 때문에 내연 기관이라고 한다. 제트 엔진은 터빈을 사용하여 공기를 압축하고 연료와 연소시켜 노즐을 통해 팽창시켜 항공기에 추력을 제공하므로 "내연 기관"이기도 하다.[46]
3. 4. 전자 기기
컴퓨터 기기로는 계산기, 컴퓨터, 아날로그 컴퓨터가 있다. 전자 부품으로는 트랜지스터, 다이오드, 축전기, 저항기, 유전체가 있다.찰스 배비지는 1837년 로그와 다른 함수를 계산하는 기계를 설계했다. 그의 차분기관은 고급 기계식 계산기로 간주될 수 있으며, 그의 해석기관은 현대 컴퓨터의 전신으로 여겨지지만, 배비지의 생전에는 대형 설계 중 어느 것도 완성되지 않았다.
아리트모메터와 컴토미터는 현대 디지털 컴퓨터의 전신인 기계식 컴퓨터이다. 현대 컴퓨터를 연구하는 데 사용되는 모델은 상태 기계와 튜링 기계이다.
3. 5. 기타 기계
| 구분 | 종류 | |
|---|---|---|
| 단순 기계 | 사면, 바퀴, 축바퀴, 지레, 도르래, 쐐기, 나사 | |
| 공구 구성 요소 | 기어, 밧줄, 용수철, 바퀴, 축, 베어링, 벨트, 방취판 (하수구 S자형 관), 롤러 체인, 링크 체인, 래크와 피니언 톱니바퀴, 잠그개, 열쇠 | |
| 시계 | 원자 시계, 크로노미터, 진자 시계, 석영 시계 | |
| 압축기와 펌프 | 아르키메데스 나선양수기, 에덕터 제트 펌프, 자동 양수기, 펌프, 진공 펌프 | |
| 열기관 | 외연기관 | 증기기관, 스털링 엔진 |
| 내연기관 | 왕복기관, 방켈 엔진, 제트 기관, 로켓, 가스 터빈 | |
| 링크 장치 | 팬터그래프 | |
| 터빈 | 가스 터빈, 제트 기관, 증기 기관, 수력 터빈, 풍력 발전기, 풍차 (공기 터빈) | |
| 프로펠러 날개 | 돛, 날개, 방향키, 플랩, 프로펠러 | |
| 전자 기기 | 컴퓨터 기기 | 계산기, 컴퓨터, 아날로그 컴퓨터 |
| 전자 | 트랜지스터, 다이오드, 축전기, 저항기, 유전체 | |
| 기타 | 로봇, 자판기, 풍동, 체중계 | |
'''메카'''는 메커니즘의 약어이지만, 픽션 분야(애니메이션, 라이트 노벨, SF 영화 등)에서는 특히 ''''''상상적인''''' 기계 장치를 가리키는 용어로 쓰인다.
3. 6. 산업 분류상의 기계
산업 분류상의 기계는 크게 일반 기계장치, 생산용 기계장치, 업무용 기계장치, 전기 기계장치, 정보통신 기계장치, 수송용 기계장치로 나뉜다. 전자부품·디바이스·전자회로도 기계장치 제조업에 포함된다.[72]
기계유산 분류에서는 공작기계, 동력·에너지 기계, 교통기계, 산업기계, 측정기·실험기기, 기계구조물, 기교·기계요소, 기타 자료로 분류된다.[73]
4. 기계의 구성 요소
기계 시스템의 ''기구''는 ''기계 요소''라고 하는 구성 요소들로 조립된다. 이러한 요소들은 시스템의 구조를 제공하고 움직임을 제어한다.
구조적 구성 요소는 일반적으로 프레임 부재, 베어링, 스플라인, 스프링, 씰, 고정 장치 및 커버이다. 커버의 모양, 질감 및 색상은 기계 시스템과 사용자 간의 스타일 및 작동 인터페이스를 제공한다.
움직임을 제어하는 조립체는 "기구"라고도 한다.[42][43] 기구는 일반적으로 기어 및 기어 트레인(여기에는 벨트 구동 및 체인 구동 포함), 캠 및 추종자 기구, 링키지로 분류되지만, 클램핑 링키지, 인덱싱 기구, 이스케이프먼트, 그리고 브레이크 및 클러치와 같은 마찰 장치와 같은 기타 특수 기구도 있다.
기구의 자유도 또는 이동성은 링크와 조인트의 수, 그리고 기구를 구성하는 데 사용되는 조인트의 유형에 따라 달라진다. 기구의 일반적인 이동성은 링크의 제약 없는 자유도와 조인트에 의해 부과되는 제약 수의 차이이다. 이는 체비셰프-그뤼블러-쿠츠바흐 기준에 의해 설명된다.
기계의 기본적인 기계 요소들은 '''기계 요소'''라고 한다. 이러한 요소들은 크게 세 가지 유형으로 구성된다.
- (i) 프레임 부재, 베어링, 축, 스플라인, 고정구, 씰 및 윤활제와 같은 ''구조 요소''
- (ii) 기구는 기어 트레인, 벨트 또는 체인 드라이브, 링키지, 캠 및 추종자 시스템을 포함하여 다양한 방식으로 움직임을 제어하며, 브레이크와 클러치도 포함
- (iii) 버튼, 스위치, 표시기, 센서, 액추에이터 및 컴퓨터 제어기와 같은 ''제어 요소''[51]
일반적으로 기계 요소로 간주되지는 않지만, 커버의 모양, 질감 및 색상은 기계의 중요한 부분이며, 기계의 기계적 구성 요소와 사용자 간의 스타일 및 작동 인터페이스를 제공한다.
여러 기계 요소는 프레임, 베어링, 스플라인, 스프링 및 씰과 같이 중요한 구조적 기능을 제공한다.
- 기계의 프레임이 중요한 기계 요소라는 인식으로 삼절 링크의 이름이 사절 링크로 변경되었다. 프레임은 일반적으로 트러스 또는 보 요소로 조립된다.
- 베어링은 움직이는 요소 사이의 인터페이스를 관리하도록 설계된 구성 요소이며 기계의 마찰 원인이다. 일반적으로 베어링은 순수 회전 또는 직선 운동을 위해 설계된다.
- 스플라인과 키는 토크를 연결을 통해 전달할 수 있도록 휠, 풀리 또는 기어에 차축을 안정적으로 장착하는 두 가지 방법이다.
- 스프링은 기계의 구성 요소를 제자리에 고정하거나 기계의 일부를 지지하는 현가장치 역할을 하는 힘을 제공한다.
- 씰은 기계의 맞닿는 부품 사이에 사용되어 물, 고온 가스 또는 윤활유와 같은 유체가 맞닿는 표면 사이로 누출되지 않도록 한다.
- 체결재와 같은 나사, 볼트, 스프링 클립 및 리벳은 기계 부품의 조립에 매우 중요하다. 체결재는 일반적으로 제거 가능한 것으로 간주된다. 반대로, 용접, 납땜, 압착 및 접착제 적용과 같은 접합 방법은 일반적으로 부품을 분해하기 위해 부품을 절단해야 한다.
제어기는 센서, 논리 회로, 및 액추에이터를 결합하여 기계 부품의 성능을 유지한다. 아마도 가장 잘 알려진 것은 증기 기관의 플라이볼 조속기일 것이다. 이러한 장치의 예로는 온도가 상승하면 냉각수 밸브를 여는 온도 조절기부터 자동차의 크루즈 컨트롤 시스템과 같은 속도 제어기까지 다양하다. 프로그래머블 로직 컨트롤러는 릴레이와 특수 제어 메커니즘을 프로그래밍 가능한 컴퓨터로 대체했다. 전기 명령에 따라 축을 정확하게 위치시키는 서보 모터는 로봇 시스템을 가능하게 하는 액추에이터이다.
5. 현대 사회와 기계
현대 사회에서 기계는 단순한 도구를 넘어 복잡한 시스템으로 발전했다. 이러한 기계 시스템은 동력원과 작동기, 기구 시스템, 제어기, 그리고 운영자 인터페이스로 구성된다.
- 동력원과 작동기: 힘과 움직임을 생성한다. 제임스 와트의 증기 기관은 팽창하는 증기의 힘으로 피스톤을 움직여 동력을 제공하는 대표적인 예시이다.
- 기구 시스템: 작동기의 입력을 특정 목적에 맞게 변환한다. 예를 들어, 증기 기관의 보행 빔, 커플러, 크랭크는 피스톤의 직선 운동을 풀리의 회전 운동으로 바꾼다.
- 제어기: 센서를 통해 기계의 출력을 감지하고, 이를 목표 성능과 비교하여 작동기의 입력을 조절한다. 온도 조절 장치나 자동차의 크루즈 컨트롤 시스템이 이에 해당한다.
- 운영자 인터페이스: 레버, 스위치, 디스플레이 등을 통해 사용자가 기계를 조작하고 상태를 파악할 수 있게 한다.
독일의 기계공학자 프란츠 룰로는 기계를 "저항하는 물체들의 조합으로, 그 수단을 통해 자연의 기계적 힘을 특정한 운동을 수반하는 작업을 하도록 강제할 수 있다"고 정의했다. 현대에는 Uicker 등이 기계를 "동력을 적용하거나 방향을 바꾸는 장치"로, McCarthy와 Soh는 "동력원과 이 동력을 제어하여 사용하기 위한 기구로 구성된 시스템"으로 설명한다.
최근에는 다음과 같은 성질을 가진 인공적인 도구를 기계라고 가리킨다.
기계화와 자동화
기계화는 인간의 육체 노동을 돕거나 대체하기 위해 기계를 사용하는 것을 의미한다. 현대에는 전기 모터로 작동하는 기계가 널리 사용되면서 기계화가 더욱 가속화되었다. 자동화는 제어 시스템과 정보기술을 이용하여 생산 과정에서 인간의 노동 필요성을 줄이는 것을 의미하며, 기계화에서 한 단계 더 나아간 개념이다. 자동화는 세계 경제와 일상생활에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다.
일본에서는 에도 시대 이전에는 주로 카라쿠리라고 불렸다.[65] 메이지 시대 이후, machine영어에 대응하는 말로서 '기계'라는 말을 만들었다.
경제학에서도 여러 경제학자들에 의해 기계가 다양하게 정의되어 왔다.
경제학적 관점에서는 인간 노동의 기술적 보조 수단으로, 도구와는 달리 자율 작업 능력을 가지며, 인간의 노동을 경감하고 동시에 대체하는 역할을 하는 것을 말한다.[63]
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