'쉽게 알아보는 공학이야기' 검색 결과

일반적인 엔지니어링 작업은 아이디어를 구체화하여 제품을 설계하고 그 설계도면에 따라서 제품을 생산하는 과정을 거칩니다. 하지만 리버스 엔지니어링(reverse engineering)은 ‘역공학’이라 하여 정상적인 설계과정과 반대로, 생산된 제품을 분해하여 숨은 아이디어를 찾아내고 설계도면을 뽑아냅니다.   창의적인 공학설계와 역공학 공학설계란 주어진 공학 문제를 해결하기 위해 제품이나 시스템의 형태를 기획하고 디자인하는 일련의 의사결정 과정입니다. 해결해야 할 문제를 정확히 인식하고, 정보를 수집 분석한 후, 아이디어를 도출합니다. 그 후 모델링 작업을 통해서 해결 방안을 구체화하고, 예비설계에 대한 시험평가를 통해서 설계 개선과 최적화를 이루어 최종 설계에 이르게 됩니다. 공학설계 과정은 아이디어를 도출하고 이를 구체화하는 과정인데, 여기서 창의성은 설계 과정의 핵심이라 할 수 있습니다. 그러나 리버스 엔지니어링은 공학설계 과정과는 반대로 결과물을 뜯어보고 설계자의 아이디어와 디자인 결정 과정을 역으로 추론합니다.   설계도면의 복원과 불법 복제 리버스 엔지니어링은 기계장치나 시스템을 비롯한 눈에 보이지 않는 알고리즘이나 소프트웨어 등 모든 인공물을 대상으로 합니다. 방법론 측면에서 보면 과학과 유사하다고 할 수 있습니다. 신이 만든 자연의 숨은 섭리를 이해하기 위해 과학이 필요하다면, 리버스 엔지니어링은 남이 만든 인공물 속에 숨은 아이디어를 알아내기 위한 것입니다. 리버스 엔지니어링은 기계장치의 설계도면이 존재하지 않거나 분실되었을 때 디자인 결정 과정과 성능을 추론할 수 있도록 해줍니다. 기계 부품 외에도 고건축이나 유물의 원래 모습을 복원하는데 유용하여 널리 활용되고 있습니다. 여러 장의 사진 자료를 합성하여 노트르담 성당의 상세 정보를 복원하거나, 3D 스캐너를…

안다는 것과 모른다는 것의 상태를 어떻게 정량화할 수 있을까요? 이는 정보 공학의 핵심 주제입니다. 우리는 정보화 시대에 살면서 다양한 방면에서 정보를 활용합니다. 그리고 정량화를 위해 통계열역학의 엔트로피 개념을 응용한 ‘정보 엔트로피’를 사용합니다. 정보 엔트로피는 정보를 저장하고 효과적으로 전송하는 정보통신 기술의 기초입니다. 또한 학습기구나 지식구조를 체계화하는 인공지능 기술의 이론적 토대가 되고 있습니다.   엔트로피 증가의 법칙 자주 사용되는 용어지만 ‘엔트로피’ 개념은 늘 아리송합니다. 엔트로피는 자연 물질이 변형되어, 원래의 상태로 돌아갈 수 없는 현상을 말합니다. 흔히 ‘무질서도’라고도 말하는 엔트로피는 원래 온도, 압력, 엔탈피 등과 같은 열역학적 성질의 하나로, 열전달량을 절대온도로 나눈 값으로 정의됩니다. 열역학 제2법칙은 고립된 시스템의 엔트로피를 항상 증가하는 방향으로 진행된다고 설명합니다. 즉, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열이 전달되는 것처럼 자연현상과 시간의 방향성을 가리킵니다. ▲ 두 물체의 에너지와 엔트로피 변화 (출처: 공대생도 잘모르는 공학이야기) 자연현상은 자발적으로 두 물체 사이의 온도 차이가 사라지는 방향으로 일어납니다. 온도차가 없어지면서 더 이상 열전달이 이루어지지 않고, 아울러 에너지(available energy)를 사용할 수 없게 됩니다. 온도뿐 아니라 물에 잉크 방울을 넣거나, 두 기체 사이의 격리막을 제거하면 완전히 서로 섞여서 구별할 수 없는 상태가 됩니다. 엔트로피의 증가법칙이란, 변화를 유발하는 온도차나 물질 구분이 없어지면서 더 이상 변화가 일어나지 않는 상태로…

공학은 정량화(수량화)로 시작되며, 나타난 숫자들은 모두 단위를 포함합니다. 사물을 계량하고 수치화하는 작업을 측정이라 하는데, 이러한 측정은 일관성 있는 기준이 필요합니다. 과거 동양에서는 척관법(尺貫法), 영국에서는 피트-파운드법(ft-pound system)이 주로 사용되었으며, 현재는 국제단위계(SI)가 통용되고 있습니다.   고대의 측정기준 오래전부터 수없이 많은 측정 기준들이 등장했다가 사라졌습니다. 물건을 사고 팔 때 다툼을 없애고, 자연 관찰이나 공학 측량을 위해 도량형 기준이 필요했습니다. 도량형의 度(도)는 길이, 量(량)은 부피, 衡(형)은 무게를 의미합니다. 즉 길이를 재는 자, 부피를 재는 되, 그리고 무게를 재는 저울을 총칭하는 말입니다. 주로 우리가 주변에서 흔히 접할 수 있는 사물을 도량형 척도로 사용했습니다. ▲ 레오나르도 다빈치의 인체비례도 인체는 언제나 좋은 척도가 되었습니다. 발 크기, 손가락 굵기 또는 양팔을 뻗은 거리 등이 길이 단위가 됩니다. 가장 오래된 단위는 메소포타미아에서 사용한 큐빗(Cubit)이라는 단위입니다. 팔을 구부렸을 때 팔꿈치에서 손가락 중지 끝까지의 길이입니다. 하지만 사람마다 길이가 다르기 때문에 지역마다 다른 기준을 사용하는 것이 문제였습니다. 불공정한 상거래를 방지하고 사회 혼란을 막기 위해서는 측정 기준을 통일하는 것이 매우 중요한 일이었습니다.   우리나라의 척관법 우리나라는 중국의 척관법을 들여와 변형해서 사용했습니다. 조선 시대에 길이 단위로 자(약 30cm)를 기준으로 하여, 자의 1/10을 ‘치’, 6자를 ‘간’이라 하였습니다. 또 60간을 1정, 6정을 1리(약 400m)로 하여 거리를…

재료역학(材料力學, Mechanics of materials)은 고체역학(Solid mechanics)이라고도 불리는 개념으로, 고체 재료의 강도와 역학적 움직임을 다루는 학문입니다. 건축물, 교량, 기계부품, 압축용기 등 뼈대를 형성하고 힘을 지탱하는 구조물은 모두 재료역학의 대상이 됩니다. 재료역학의 주 목적은 구조물의 안전한 설계에 필요한 움직임 해석을 위해, 구조물 및 관련 물체에 작용하는 하중에 따른 응력, 변형, 변형률을 파악하는 것입니다. 그럼 이제부터 공학의 모든 분야에 있어 중요한 기초학문인 재료역학을 살펴보겠습니다. 우선 외부에서 주어지는 힘 즉, 외력(外力)이 작용하면 재료 내부에는 이에 저항하는 힘이 생기는데 이를 응력(stress)이라고 합니다. 응력이란 단위 면적당 작용하는 힘을 말하며, 같은 힘을 주더라도 힘을 받는 면적이 넓으면 응력은 작아지게 됩니다. 또한, 응력은 면에 수직으로 작용하는 성분과 면에 나란하게 작용하는 성분으로 나눠집니다. 먼저 수직으로 작용하는 성분은 다시 2가지로 나뉘는데, 물체를 누를 때 생기는 응력을 ‘압축응력’이라고 하며 ‘압력’과 같은 의미입니다. 반대로 잡아당길 때 생기는 응력을 ‘인장응력’이라고 합니다. 예를 들어, 달콤한 엿을 망치로 내려치면 압축응력이 생기고, 반대로 엿을 양 손으로 잡아당기면 인장응력이 생기는 것입니다. 수직 성분과 달리 물체의 면에 나란히 작용하는 응력으로는 ‘전단응력(shear stress)’이 있습니다. 물체의 단면을 절단하는 힘이 작용해 면에 나란한 방향으로 작용하는 응력을 전단응력이라고 합니다. 예를 들어 두꺼운 책을 놓고 책 표지에 손바닥을 댄 다음 옆으로 밀었을 때…

유체란 고체와 달리 외부의 작은 힘(전단응력)에도 견디지 못하고 쉽게 변형되면서 움직이는 액체나 기체 상태를 말합니다. 유체역학(流體力學, fluid dynamics)은 유체의 유동 현상을 다루며, 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 그럼 이제부터 유체역학에 대해 살펴보겠습니다.   일정한 형체를 갖지 않는 ‘유체’ 우리 주변에서 회오리와 태풍 그리고 바닷물의 순환과 같은 자연현상을 쉽게 발견할 수 있습니다. 이처럼 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 유체는 일정한 형체를 갖지 않고 흐름이 불규칙적이며 눈에 잘 보이지 않습니다. 이러한 성질로 유체는 이해하기 어렵고 신비한 것으로 여겨져 왔으며, 지금까지도 도전해 볼 만한 분야로 남아 있습니다. 과거 레오나르도 다빈치는 다양한 유체 흐름에 관심을 가지고 사실적인 와류 그림들을 여럿 남겼습니다. 또 데카르트는 보텍스 이론을 이용하여 우주의 기원을 와류현상으로 설명하고자 하였습니다. 보텍스 이론이란 미세한 소용돌이가 최소 단위를 이루고 이들이 모여 커다란 유체의 움직임을 구성한다고 보는 이론입니다.   정수력과 부력만 다루는 ‘유체 정역학’     ▲ 유레카를 외치는 아르키메데스 유체역학 중에서 정지된 상태를 다루는 것을 유체 정역학(hydrostatics)이라 합니다. 움직임이 없기 때문에 단순히 정수력과 부력만을 다루면 됩니다. 과거 아르키메데스는 왕으로부터 금관에 은이 섞여 있는지를 판별하라는 명령을 받았습니다. 한참 고민 끝에 피곤한 몸으로 목욕탕에 갔다가 목욕탕 수조의 물이 넘치는 것을 보고 비중의 원리를 깨달았고, 옷도 걸치지 않은 상태로…