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라인 샤프트

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1. 개요

라인 샤프트는 18세기 초에 등장하여 19세기 후반부터 제조업, 목공소, 제분소 등 다양한 산업에서 동력 전달 방식으로 널리 사용되었다. 중앙 동력원으로부터 샤프트와 벨트, 도르래를 이용하여 각 기계에 동력을 전달하는 방식이었으며, 19세기 말에는 공장 건물 전체에 걸쳐 라인 샤프트가 설치되기도 했다. 그러나 에너지 효율이 낮고, 소음과 안전 문제가 있으며, 공간 활용이 비효율적이라는 단점으로 인해 20세기 초 공장 전기화가 이루어지면서 개별 전동기 구동 방식으로 대체되었다. 현재는 대부분의 시스템이 사용 중단되었으며, 일부는 박물관에 전시되어 있다.

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라인 샤프트
개요
다양한 기계에 동력을 공급하는 라인 샤프트
다양한 기계에 동력을 공급하는 라인 샤프트
설명회전하는 샤프트로, 동력을 전달하는 데 사용됨
역사
용도공장
제분소
광산
직물 공장
구조 및 작동 원리
동력 공급수차
풍차
증기 기관
내연 기관
전동기
동력 전달 방법벨트 구동
로프 구동
기어
지지베어링으로 지지됨
구성 요소
샤프트회전하는 축
풀리벨트를 사용하여 동력을 전달하는 데 사용됨
기어톱니바퀴를 사용하여 동력을 전달하는 데 사용됨
베어링샤프트를 지지하고 회전을 용이하게 함
커플링샤프트를 연결하는 데 사용됨
클러치동력 전달을 연결하거나 끊는 데 사용됨
장점
단순성구조가 간단함
신뢰성견고하고 신뢰할 수 있음
비용 효율성상대적으로 저렴함
단점
안전 문제회전하는 부품으로 인해 안전 문제가 발생할 수 있음
효율성동력 전달 효율이 낮을 수 있음
소음작동 중 소음이 발생할 수 있음
현대적 대안
대안개별 모터 구동
유압 시스템
공압 시스템
참고 문헌
추가 정보"Line Shafting: A Treatise on its Design, Erection and Maintenance" by Hubert E. Collins (1903)
"The Workshop Companion" by Charles Holtzapffel (1843)

2. 역사

18세기 초에 라인 샤프트의 초기 형태가 등장했지만, 산업화가 진행되면서 19세기 후반에 널리 사용되었다. 라인 샤프트는 제조업, 목공소, 기계 공장, 제재소, 제분소 등에서 널리 사용되었다.

1870년의 인쇄기


19세기 말에는 일부 공장에서 단일 건물에 1마일 이상 길이의 라인 샤프트를 사용하기도 했다.

소규모 작업장 및 경공업에 동력을 공급하기 위해 특별히 건설된 "동력 건물"은 중앙 증기 엔진을 사용하고 라인 샤프트를 통해 모든 임대 공간에 동력을 분배했다.

일부 공장이 단일 증기 엔진으로 동력을 공급하기에는 너무 크고 복잡해지자, "세분화된" 동력 시스템이 사용되기 시작했다. 이는 와이어 드로잉 또는 철 망치질과 같은 섬세한 작업에 광범위한 속도 제어가 필요할 때도 중요했다. 세분화된 동력 시스템에서는 중앙 보일러에서 필요한 위치에 있는 소형 증기 엔진으로 증기가 파이프로 공급되었다. 그러나 소형 증기 엔진은 대형 엔진보다 효율성이 훨씬 낮았다. 볼드윈 로코모티브 웍스의 63에이커 부지는 세분화된 동력 시스템으로 변경되었고, 비효율성 때문에 여러 대의 대형 증기 엔진이 라인 샤프트를 구동하는 그룹 구동 방식으로 전환되었다. 결국 볼드윈은 전기 구동 방식으로 전환하여 노동력과 건물 공간을 상당 부분 절약했다.[3]

2. 1. 초기 발전 (18세기 후반 ~ 19세기 초)

1776년 영국 Belper|벨퍼영어에 세워진 제디다이아 스트럿Jedediah Strutt영어의 수력 방적 공장인 노스 밀(North Mill)은 초기 라인 샤프트 시스템의 대표적인 예시이다. 이 공장의 기계들은 약 5.49m 물레방아에서 동력을 얻었다.[13]

제디다이아 스트럿이 그린 1819년 벨퍼의 노스 밀. 의 수차에서 연결된 수직축과 각 층의 길이를 따라 뻗어 있는 수평 구동축.


1828년 미국 매사추세츠주 로웰에서 Paul_Moody_(inventor)|폴 무디영어는 수차에서 나오는 동력을 전달하기 위해 금속 기어 대신 가죽 벨트를 사용하면서 라인 샤프트 시스템이 더욱 발전하게 되었다.[1] 이 기술은 미국 전역으로 빠르게 확산되었다.[8]

2. 2. 전성기 (19세기 중반 ~ 20세기 초)

19세기 중반, 라인 샤프트는 제조업, 목공소, 기계 공장, 제재소, 제분소 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되었다.[1]

1828년, 매사추세츠 주 로웰에서 폴 무디는 수차에서 나오는 동력을 전달하기 위해 금속 기어 대신 가죽 벨트를 사용했는데, 이 혁신적인 기술은 미국 전역으로 빠르게 확산되었다.[1]

영국에서는 1870년대부터 평 벨트 구동 시스템이 인기를 얻었으며, J & E 우드사와 W & J 갤러웨이 & 손즈사가 이를 도입하는 데 중요한 역할을 했다. 이 두 회사는 모두 고정식 증기 엔진을 제조했으며, 더 많은 동력과 신뢰성에 대한 지속적인 요구는 단순히 향상된 엔진 기술뿐만 아니라 엔진에서 직기 및 유사한 기계로 동력을 전달하는 개선된 방법으로 충족될 수 있었다. 평 벨트의 사용은 이미 미국에서는 흔했지만, 이 시점까지 영국에서는 드물었다. 장점으로는 이전의 일반적인 구동 샤프트와 관련 기어에 내재된 마찰 손실로 인한 소음과 에너지 손실 감소가 있었다. 또한 유지보수가 더 간단하고 저렴했으며, 공장이나 제분소의 한 부분이 고장나도 모든 섹션의 동력 손실을 일으키지 않도록 동력 구동 장치를 배치하는 더 편리한 방법이었다. 이러한 시스템은 결국 로프 구동 방식에 의해 인기가 대체되었다.[2]

19세기 말에는 일부 공장에서 단일 건물에 1마일 이상 길이의 라인 샤프트를 사용하기도 했다.

소규모 작업장 및 경공업에 동력을 공급하기 위해 특별히 건설된 "동력 건물"이 건설되었다. 동력 건물은 중앙 증기 엔진을 사용하고 라인 샤프트를 통해 모든 임대 공간에 동력을 분배했다. 동력 건물은 전기화 초기에 계속 건설되었으며, 여전히 라인 샤프트를 사용했지만 전기 모터에 의해 구동되었다.[1]

2. 3. 쇠퇴와 대체 (20세기 초 ~ 현재)

20세기 초, 공장 전기화가 이루어지면서 라인 샤프트는 점차 개별 전동기 구동 방식으로 대체되기 시작했다. 초기에는 대형 모터만 사용할 수 있었기 때문에 대형 모터로 라인 샤프트를 구동하는 방식이 사용되었으나, 1900년 이후 소형 산업용 모터가 등장하면서 개별 전기 구동 방식이 주류가 되었다.[4]

증기 터빈 동력 라인 샤프트는 1980년대까지 제지기 구동에 필요한 속도 제어를 위해 사용되었지만, 정밀 전기 모터 속도 제어 기술이 발전하면서 섹션별 전기 구동 장치로 교체되었다.[5] 전기 모터를 사용한 경제적인 가변 속도 제어는 실리콘 제어 정류기(SCR)와 원하는 속도에 필요한 주파수로 직류를 교류로 변환하는 전력 인버터를 사용한 가변 주파수 구동 장치 덕분에 가능해졌다.

대부분의 라인 샤프트 시스템은 20세기 중반에 사용 중단되었으며, 21세기에는 극히 일부만 남아 있고, 그나마도 원래 위치와 구성으로 남아 있는 것은 더욱 적다.

2. 4. 한국에서의 라인 샤프트

한국에서는 일제강점기에 라인 샤프트 시스템이 본격적으로 도입되었다. 주로 일본에서 수입된 설비와 함께 도입되었으며, 섬유, 제분, 제재 산업 등 경공업 분야에서 널리 사용되었다.

해방 이후에도 한동안 라인 샤프트 시스템이 사용되었지만, 1960년대 이후 산업 고도화와 함께 개별 전동기 구동 방식으로 점차 대체되었다. 현재는 일부 오래된 공장이나 박물관에서 라인 샤프트 시스템의 흔적을 찾아볼 수 있다.

3. 작동 원리

라인 샤프트는 천장에 매달린 긴 샤프트를 통해 동력을 전달하는 방식이다. 이 샤프트는 특정 구역의 전체 길이를 따라 설치되며, 여러 개의 도르래가 부착되어 있다. 하나의 도르래는 건물 다른 곳의 모(母) 샤프트에서 동력을 받고, 다른 도르래들은 각 기계 또는 후속 라인 샤프트에 동력을 공급한다.

제조업 현장에서는 동일한 작업을 하는 여러 기계에 동력을 공급하기 위해 비교적 규칙적이고 반복적인 시스템 설계가 사용되었다. 반면, 다양한 기계가 사용되는 기계 공장이나 목공 작업장에서는 샤프트 방향과 도르래 크기가 다양하여 불규칙하고 일관성이 없는 시스템이 나타나기도 했다. 샤프트는 주로 강철로 만들어졌으며, 플랜지를 통해 여러 부품을 볼트로 연결하여 구성되었다.[1] 샤프트는 일정 간격으로 베어링이 있는 행거에 매달려 있었으며, 이 간격은 샤프트의 무게와 도르래 수에 따라 결정되었다.[2] 샤프트는 정렬 상태를 유지해야 했으며, 그렇지 않으면 응력으로 인해 베어링이 과열되거나 샤프트가 파손될 수 있었다.[3] 베어링은 일반적으로 마찰 베어링 방식이었으며, 윤활이 필요했다.[4] 베어링 고착이나 오작동을 방지하기 위해 도르래 윤활 담당 직원이 필요했다.[5]

초기에는 홈이 있는 도르래에 로프를 걸어 동력을 전달하는 방식이 사용되었으나, 19세기와 20세기 초에는 평평한 도르래에 벨트를 연결하는 방식이 일반적이었다.[6] 벨트는 주로 가죽이나 고무를 함침한 면직물로 만들어졌으며, 가죽 벨트는 생가죽이나 와이어 레이싱, 겹침 조인트와 접착제 등을 사용하여 루프 형태로 고정되었다.[7] 벨트의 상태 유지를 위해 정기적인 청소와 컨디셔닝이 필요했다.[8] 벨트를 180도 꼬아서 연결하여 두 번째 샤프트가 반대 방향으로 회전하도록 하는 경우도 있었다.[10]

도르래는 나무, , 강철 또는 이들의 조합으로 만들어졌으며, 크기가 다른 도르래를 사용하여 회전 속도를 조절했다.[11] 샤프트에 고정된 도르래와 자유롭게 회전하는 도르래(아이들러)를 조합하여 기계를 사용하지 않을 때 동력 전달을 멈추는 기능도 제공했다.[12] 기계의 속도를 다양하게 조절하기 위해 스텝 풀리가 사용되기도 했다.[13]

매사추세츠 주, 로웰에 있는 서포크 밀의 터빈에서 라인 샤프트까지


매사추세츠 주, 로웰에 있는 부트 밀의 라인 샤프트에서 동력 직기까지


매사추세츠주 로웰의 부트 밀에 있는 라인 샤프트와 동력 직기

3. 1. 동력 전달 방식

중앙 동력원(주로 증기 기관, 수차, 이후에는 전기 모터)에서 발생한 동력은 주축(main shaft)에 전달되었다. 주축에 설치된 도르래(활차)와 벨트를 통해 각 기계에 동력이 분배되었다.[1] 벨트는 주로 가죽이나 고무를 함침한 면직물로 만들어졌으며, 도르래는 나무, 철, 강철 등으로 만들어졌다.[1] 도르래의 크기를 조절하여 기계의 회전 속도를 변경할 수 있었다. 예를 들어 100rpm의 40인치 도르래는 200rpm의 20인치 도르래를 회전시킨다.[1] 기계를 사용하지 않을 때는 벨트를 아이들러 풀리로 옮겨 동력 전달을 중단시켰다.[1] 선반의 가변 속도 벨트 드라이브처럼 스텝 풀리(stepped pulley)를 사용하여 기계의 속도를 여러 단계로 조절할 수도 있었다.[1]

선반의 가변 속도 벨트 드라이브. 상부 샤프트의 고정 풀리는 동력원에서 벨트로 일정한 속도로 구동된다. 저속 풀리(아이들러)는 속도를 변경할 때 기계를 개별적으로 정지시킬 수 있다. 스텝 풀리(왼쪽)는 벨트로 연결된 풀리 쌍을 통해 공작 기계(그림 생략)에 3가지 구동 속도를 제공한다.

3. 2. 구성 요소

라인 샤프트는 주로 강철로 만들어졌으며, 플랜지[1]로 여러 부품을 연결하여 길이를 조절했다. 샤프트는 특정 길이 간격으로 베어링이 있는 행거에 매달았는데, 이 거리는 샤프트의 무게와 도르래[2]의 수에 따라 달라졌다. 샤프트는 정렬된 상태를 유지해야 했으며, 그렇지 않으면 응력이 베어링을 과열시켜 샤프트가 파손될 수 있었다.

샤프트를 지지하고 회전을 돕는 베어링[3]은 일반적으로 마찰 베어링[4] 유형이었고, 윤활[5]이 필요했다. 베어링이 고착되거나 오작동하지 않도록 하기 위해 도르래 윤활 직원이 필요했다.

행거[6]는 샤프트를 천장[7]에 매달아 고정하는 부품이다.

도르래[8]는 벨트를 걸어 동력을 전달하는 바퀴 모양의 부품이다. 나무, 철, 강철 또는 그 조합으로 제작되었으며, 회전 속도를 변경하기 위해 다양한 크기의 도르래가 함께 사용되었다. 예를 들어, 100rpm[9]의 40인치 도르래는 20인치 도르래를 200rpm으로 회전시킨다. 샤프트에 단단히 부착된 ("고정") 도르래는 샤프트에서 자유롭게 회전하는 ("느슨한") 인접 도르래(아이들러)와 결합할 수 있었다. 이 구성에서 벨트는 아이들러로 조작하여 동력 전달을 중지하거나 단단한 도르래로 조작하여 동력을 전달할 수 있었다.

동력을 전달하는 띠 모양의 벨트[10]는 주로 가죽이나 고무를 함침한 면직물[11]로 만들어졌다. 가죽 벨트는 생가죽[12] 또는 와이어 레이싱, 겹침 조인트 및 접착제[13] 또는 여러 유형의 강철 패스너로 루프 형태로 고정되었다. 면 오리 벨트는 일반적으로 금속 패스너를 사용하거나 열로 함께 녹였다. 가죽 벨트는 견인력을 최대로 하기 위해 도르래에 머리카락 면을 대고 사용했다. 벨트는 양호한 상태를 유지하기 위해 정기적인 청소와 컨디셔닝이 필요했다. 벨트는 종종 다리당 180도 꼬여서 두 번째 샤프트가 반대 방향으로 회전하도록 받는 도르래에서 반전되었다.

4. 장점과 단점

라인 샤프트는 하나의 동력원으로 여러 기계를 구동할 수 있어 초기 투자 비용을 절감할 수 있었고, 비교적 간단한 구조로 설치 및 유지 보수가 용이했으며, 도르래 크기를 조절하여 기계 속도를 비교적 쉽게 변경할 수 있다는 장점이 있었다. 그러나 개별 전동기 구동 방식에 비해 다음과 같은 단점이 있었다.[1]


  • 낮은 효율: 동력 전달 과정에서 마찰 손실이 커 에너지 효율이 낮았다.
  • 소음: 작동 시 소음이 컸다.
  • 높은 유지보수 비용: 유지보수에 많은 비용과 노력이 필요했다.
  • 위험성: 작업 중 사고 위험이 높았다.
  • 긴 가동 중단 시간: 기계적 문제로 인해 가동이 중단되는 시간이 길었다.
  • 속도 변경의 어려움: 속도를 변경하기가 쉽지 않았다.
  • 공장 레이아웃 제약: 공장 배치를 라인 샤프트에 접근하는 방식으로 설계해야 했다.
  • 공간 낭비: 라인 샤프트 설치에 많은 공간이 필요했다.
  • 샤프트와 벨트의 방해: 샤프트와 벨트는 조명, 천장 크레인 등을 가로막았다.
  • 정렬 문제: 시스템 정렬이 중요했다.
  • 먼지 발생: 벨트는 먼지를 발생시켰다.
  • 기름 누출: 천장 샤프트에서 기름이 떨어졌다.


전기를 이용하는 방식으로 전환한 회사는 직원들의 병가 시간이 현저히 줄었고, 동일한 장비를 사용하면서도 생산량이 크게 증가했다.[12]

4. 1. 장점

라인 샤프트는 하나의 동력원으로 여러 기계를 구동할 수 있어 초기 투자 비용을 절감할 수 있었다. 또한, 비교적 간단한 구조로 설치 및 유지 보수가 용이했다. 도르래 크기를 조절하여 기계 속도를 비교적 쉽게 변경할 수 있다는 장점도 있었다.

4. 2. 단점

라인 샤프트는 개별 전동기 구동 방식에 비해 다음과 같은 단점이 있었다.[1]

  • 낮은 효율: 동력 전달 과정에서 마찰 손실이 커 에너지 효율이 낮았다. 일반적으로 25% 이상의 동력 손실이 발생했지만, 롤러 베어링과 양질의 윤활을 사용하면 손실을 최소화할 수 있었다.
  • 소음: 작동 시 소음이 컸다.
  • 높은 유지보수 비용: 벨트의 정기적인 교체 및 윤활, 베어링 관리 등 유지보수에 많은 비용과 노력이 필요했다.
  • 위험성: 벨트와 도르래가 노출되어 있어 작업 중 사고 위험이 높았다.
  • 긴 가동 중단 시간: 기계적 문제로 인해 가동이 중단되는 시간이 길었다.
  • 속도 변경의 어려움: 속도를 변경하기가 쉽지 않았다.
  • 공장 레이아웃 제약: 공장 배치를 작업 흐름에 가장 효율적인 방식이 아니라 라인 샤프트에 접근하는 방식으로 설계해야 했다.
  • 공간 낭비: 라인 샤프트와 제재소 작업은 많은 공간을 차지했다. 볼드윈 기관차 공장(Baldwin Locomotive Works)은 전동기 구동 방식보다 40% 더 많은 공간이 필요하다고 추정했다.
  • 샤프트와 벨트의 방해: 샤프트와 벨트는 조명, 천장 크레인, 환기 덕트 등을 가로막았다.
  • 정렬 문제: 시스템 정렬은 팽창, 수축, 침강 및 진동에 영향을 받는 긴 샤프트의 경우 중요하고 문제가 되었다.
  • 먼지 발생: 벨트는 먼지를 발생시켜 공기 중에 지속적으로 순환시켰다.
  • 오일 누출: 천장 샤프트에서 기름이 떨어졌다.


전기를 이용하는 방식으로 전환한 회사는 직원들의 병가 시간이 현저히 줄었고, 동일한 장비를 사용하면서도 생산량이 크게 증가했다.[12]

5. 대안

19세기 후반, 라인 샤프트의 단점을 보완하기 위해 다양한 기술이 등장했다. 와이어 로프 시스템은 라인 샤프트보다 멀리까지 동력을 전달할 수 있었고, 마찰 손실도 적었다. 유압 시스템은 소규모 동력 공급에 유리했으며, 런던을 중심으로 널리 사용되었다. 또한, 공기압을 이용한 중앙 스테이션도 있었다.[1]

5. 1. 와이어 로프 시스템

와이어 로프 시스템은 19세기 후반, 라인 샤프트의 거리 및 마찰 제한을 극복하기 위해 개발되었다. 와이어 로프는 라인 샤프트보다 더 빠른 속도로 작동했으며, 몇 마일 또는 킬로미터 거리에서 기계적 동력을 전달하는 실용적인 수단이었다. 이들은 넓게 배치된 대구경 휠을 사용했으며 라인 샤프트보다 마찰 손실이 훨씬 적었고 초기 비용은 10분의 1에 불과했다.[1]

5. 2. 유압 시스템

개별적인 증기 기관으로는 대응할 수 없는 소규모 동력을 공급하기 위해 유압 시스템이 개발되었다. 영국의 항구를 비롯한 유럽 각지에서 크레인 등의 기계를 작동시키는 데 수력이 사용되었다. 최대 유압 시스템은 런던에 있었고, 베세머 강철의 제조에도 유압이 사용되었다.[1]

5. 3. 공압 시스템

19세기 후반에는 공기압을 제공하는 중앙 스테이션도 있었다.[1]

5. 4. 개별 전동기 구동 (현대)

19세기 후반, 와이어 로프 시스템이 개발되어 라인 샤프트의 거리 및 마찰 제한을 극복했다. 와이어 로프는 라인 샤프트보다 더 빠른 속도로 작동했으며, 몇 마일 또는 킬로미터 거리에서 기계적 동력을 전달하는 실용적인 수단이었다. 넓게 배치된 대구경 휠을 사용하여 라인 샤프트보다 마찰 손실이 훨씬 적었고 초기 비용은 10분의 1에 불과했다.[1]

개별 증기 기관으로는 비실용적인 소규모 동력을 공급하기 위해, 중앙 스테이션 유압 시스템이 개발되었다. 유압 동력은 영국의 항구 및 유럽의 다른 지역에서 크레인 및 기타 기계를 작동하는 데 사용되었다. 가장 큰 유압 시스템은 런던에 있었다. 유압 동력은 베세머 강철 생산에 광범위하게 사용되었다.[1]

19세기 후반에는 공압 동력을 제공하는 몇몇 중앙 스테이션도 있었다.[1]

6. 현대의 라인 샤프트

현대에 들어 라인 샤프트는 대부분 개별 전기 모터로 대체되었지만, 일부 산업 박물관이나 역사 유적지에서는 여전히 라인 샤프트 시스템을 볼 수 있다. 영국의 국립 슬레이트 박물관에서는 영국에서 가장 큰 수차로 구동되는 라인 샤프트를 볼 수 있으며, 미국의 슬레이터 밀 역사 유적지에도 라인 샤프트 시스템이 보존되어 있다.[11]

6. 1. 보존 및 전시

여러 산업 박물관에서 라인 샤프트 시스템을 전시하고 있다. 영국의 국립 슬레이트 박물관에서는 영국에서 가장 큰 수차로 구동되는 라인 샤프트를 볼 수 있다.[11] 미국의 슬레이터 밀 역사 유적지에도 라인 샤프트 시스템이 보존되어 있다.[11]

일부 오래된 공장이나 작업장은 역사 유적지로 보존되어 라인 샤프트 시스템을 볼 수 있다. 미국의 슬레이터 밀 역사 유적지[11]가 이러한 예시에 해당한다.

6. 2. 한국의 보존 사례

일제강점기에 건설된 구 조선방직 인천공장은 라인 샤프트 시스템의 흔적이 남아 있는 것으로 알려져 있다. 이외 다른 보존 사례에 대해서는 추가적인 조사가 필요하다.

참조

[1] 서적 Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865 https://archive.org/[...] The Johns Hopkins University Press
[2] 간행물
[3] 서적 A History of Industrial Power in the United States, 1730-1930, Vol. 3: The Transmission of Power https://archive.org/[...] MIT Press
[4] 서적 Electrifying America: Social Meanings of a New Technology MIT Press
[5] 웹사이트 Emergency Replacement of a Paper Machine Line Shaft Turbine https://web.archive.[...]
[6] 서적 Millwrighting https://books.google[...] Hill Publishing Company 1909
[7] 간행물
[8] 서적 Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865 https://archive.org/[...] The Johns Hopkins University Press
[9] 서적 A History of Industrial Power in the United States, 1730-1930, Vol. 3: The Transmission of Power https://archive.org/[...] MIT Press
[10] 서적 Electrifying America: Social Meanings of a New Technology MIT Press
[11] 웹사이트 Emergency Replacement of a Paper Machine Line Shaft Turbine http://www.tappi.org[...] 2021-04-02
[12] 서적 Millwrighting
[13] 간행물



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