2012 년도 1 학기 [ 과학기술사 ] 수업자료 (2)

1. 2012년도 1학기[과학기술사] 수업자료(2) 제2장 산업혁명기의 공학기술 노태천(충남대학교 사범대학 기술교육과)

2. 4. 산업혁명의 역사적 의의 • 영국이 최초의 '공업국'으로 탈바꿈 • 1850년 도시인구 비율 50% 돌파 • 총생산 구조 변화 (1700년경 농업 40%, 공업 21% → 1821년 농업 26.1%, 공업 31.9%) • 런던 수정궁에서 만국박람회(1851) 개최 • 증기기관과 같은 대규모 동력기계의 이용 • 장시간, 저임금 노동의 참상 → 1830년대 공장법 제정 이후 감소 • 가혹한 노동조건 ⇒ 노동운동과 사회주의 사상의 등장

3. 4-1. 면방직(섬유)공업의 기술혁신 • 방적과 방직의 역사 • 죤케이(John Kay): 자동북(flying shuttle)의 수직기 특허(1733) • 하그리브스(James Hargreaves):제니(Jenny) 방적기 발명(1767) • 아크라이트(Richard Arkwright): 수력 방적기(water frame) 개발(1775) (특징 : 기술 변혁기의 여러 발명을 하나의 기계로 통합) • 크롬프턴(Samuel Crompton): 뮬(mule) 방적기 발명(1779) (제니방적기(가는실)+수력방적기(튼튼한 실)의 장점 채용) • 카트라이트(Edmund Cartwright): 역직기(力織機, power loom) 발명(1785): 씨줄에 낙하하는 바디(reed)와 날줄을 왕복하는 자동북이 연속적으로 움직이는 구조. 동력으로 증기기관 사용.

4. 중세의 방적기(물레)

5. 제니의 방적기(1767)

6. 아크라이트의 방적기(1775)

7. 카트라이트의 방직기(1785)

8. 뮬방적기(1800)

9. 산업혁명기의 방적공장(1830)

10. 4-2. 면공업의 발전과 영향(1) (방적기와 방직기가 본격적으로 보급된 1770년대 이후에 면공업이 크게 발전) 면의 사용량 2만 5천 톤 2천5백 톤으로 증가 5백 톤 18세기 초 1770년 1800년 시간

11. 4-2. 면공업의 발전과 영향(2) • 화학공업에 영향 • 영국의 로벅(John Roebuck): 연실법 개발(1746) (황산을 경제적으로 생산함으로써 기존의 천연표백제를 대체) • 프랑스의 베르톨레(Claude L. Berthollet): 염소로 직물 표백(1785) • 테넌트(Smithson Tennant): 염소를 응용한 표백분 개발. • 프랑스 르블랑(Nicolas Leblanc): 소금을 사용하여 소다 제조(1791) • 솔베이(Ernest Solvay): 암모니아 소다 제조법(솔베이법) 개발(1863) (인공표백제가 천연표백제를 거의 대체)

12. 연실법(황산제조법) • 납을 입힌 큰 용적의 용기에서 이산화황을 질소산화물로 산화시켜, 황산(H2SO4)을 제조하는 방법이다

13. 르블랑법(가성소다제조법) • (상단) 소금 분해로 • (중간) 소금, 황산, 석회석, 석탄으로 탄산나트륨(검은재)을 제조 • (하단) 탄산나트륨으로 판유리 제조

14. 솔베이법(암모니아-소다 제조법) • 석회석(CaCO3)과 식염(NaCl)을 주원료로, 암모니아(NH3)를 부원료로 하여 소다회(탄산나트륨무수물)를 제조하는 방법 • 반응식: 2NaCl+CaCO3 → Ca2CO3+CaCl2 • 부산물(CO2, NH3, CaCl2)을 재활용

15. 4-2. 면공업의 발전과 영향(3) • 공장제도에의 영향 • 아크라이트: 최초의 방적공장 크롬포드 공장 설립(1771) • 맨체스터의 방적공장: 평균 3백명의 노동자 고용(1815) • 카트라이트의 역직기: 공장제가 전면적으로 성립(1830) • 기계파괴(러다이트)운동(1810) :고용주와 노동자의 관계는 온정적 관계에서 금전적 관계로 전환, 기계가 도입되면서 경제적 지위가 하락, 사회적 관계가 붕괴

16. 4-3. 증기기관의 사용(1) • 초기 증기기관은 탄광용 펌프로 출발 • 17세기: 탄광이 점점 깊어지면서 통풍/배수 문제 발생 • 새버리(Thomas Savery): 증기양수장치 발명(1698) • 뉴커멘(Thomas Newcomen): 대기압 증기기관 개발(1712) • 와트(James Watt, 1736~1819) • 분리응축기(separate condenser)를 발명(1768) • 회전 엔진에 필수적인 유성식 기어 발명(1782) • 피스톤을 동시에 밀고 당기는 복동식 증기기관 개발(1782) • 피스톤을 원활하게 운동시키는 수평운동장치 고안(1784)

17. 외연기관과 내연기관의 비교

18. 뚜껑을 꽉 닫은 용기 안에서 물을 끓임. 발생한 증기 때문에 압력이 올라감. 딱딱한 뼈도 부드러워지고 고기도 빨리 익힐 수 있었음. 오늘날 압력솥의 원형 파팽(Papin:1647-1712)의 압력솥

19. 탄광의 물을 퍼올릴 목적으로 개발(1698) 용기속에 증기를 가득채운 후, 용기의 표면에 찬물을 부어, 증기를 응축시켜 부분적인 진공을 만들어 작동함. 10.36m보다 깊은 물은 끌어올리지 못함. 세이베리(Savery:1650?-1715)의 증기기관

20. 증기 펌프 = 화력기관(fire engine) 실제로는 다단계 펌프를 이용함 약 55m 를 끌어올리는데 6단계의 펌프 필요함 마력(horsepower)이라는 용어를 처음 사용 세이버리의 증기기관

21. 세이버리 증기기관의 원리

22. 뉴코멘(Newcomen:1663-1729) 증기기관(실린더에 물을 넣어 진공으로 만듬)

24. 와트(Watt:1736-1819)의 생애 • 1736 스코틀랜드의 그리녹(Greenock)에서 출생 • 1763년 글래스고우 대학에서 뉴커멘 증기기관 모형을 수리 • 1769 분리응축기가 설치된 증기기관(화력기관에서 증기와 연료 소비를 줄이는 신개발법)을 설계하여 특허 • 1781 제분기/직조기에 사용하는 증기기관 개발 • 1781 유성 운동 장치 (sun and planet gearing system) 개발 • 1782 피스톤을 동시에 밀고 당기는 복동식 증기기관 개발 • 1787 플리아휠(fly wheel)과 원심조속기(governor) 발명

26. 평행피스톤운동의 증기기관(1784)

27. 복수기(분리응축기)의 원리

28. 분리응축기의 고안 • 실린더를 냉각시키지 않아도 된다면 실린더의 열을 그대로 보존하면서 다음 작업을 수행할 수 있다. • 따라서 석탄 사용량이 절반으로 줄어들 것이다. • 수증기를 실린더 안에서 직접 냉각시키지않고, 실린더로부터 분리된 응축기를 별도로 만들어, 실린더 안의 고압증기를 뽑아낸 후 실린더 바깥에서 냉각시킴 • 열효율이 뉴커먼의 증기기관보다 2~4배 향상 • 연료소비가 뉴커먼 증기기관의 ¼로 절약, 대성공 • 절약 연료비의 1/3을 받고 계약, 각지에 증기기관 설치

29. 유성식기어(태양혹성치차:sun-and-planet gearing system)

30. 원심(력)조속기(1787)

31. 4-4. 철공업과 기계공업(1) • 철공업(제선,제강, 압연 기술) • 1709년: 다비(Abraham Darby)는 코크스(cokes)를 원료로 사용 • 1735년: 다비 2세에 의해 코크스 원료 사용방법 개선 • 1775~1779년: 다비 3세는 콜브루크데일의 세번 강에 60미터의 아이언브리지(Iron Bridge)를 건설하는 작업을 주관 • 1742년: 헌츠먼(Benjamin Huntsman)이 도가니 제강법 창안 • 1783년: 코트(Henry Cort)가 교반법과 압연법을 개발 (교반법은 철을 죽과 같은 상태로 만든 후에 쇠막대기로 휘저어 탄소와 불순물을 제거하는 방법, 압연법은 액체 상태의 철을 롤러 사이로 통과시켜 가공하는 방법)

32. 다비3세가 건설한 30m의 철교(1779)

33. 4-4. 철공업과 기계공업(2) • 공작기계(기계를 만드는 기계)산업 • 윌킨슨(John Wilkinson):천공기 개발(1774) • 모즐리(Maudslay): 나사 절단용 선반 개발(1797) • 휘트워스(Joseph Whitworth): 표준나사 측정법 창안(1841)하여 공작기계의 정밀도를 더욱 향상시킴. • 나스미드(James Nasmyth)는 1883년에 발간한 『자서전』을 통해 공작기계에 대한 지식의 확산에 기여

34. 공작기계의 정의 • 재료를 제거, 변형하여 기계 및 기구를 제작할 수 있는 기계 • 협의 : 금속의 공작물을 절삭, 연삭, 기타 절삭기술에 의해, 불필요한 부분을 제거하여 원하는 형상으로 가공하는 기계. • 광의 : 금속 공작물을 성형하거나, 플라스틱, 세라믹, 석재, 목재 등을 절삭, 연삭하여 가공하는 기계.

35. 공작기계는 선반으로 시작 신석기시대 선반 출현 다빈치에 의해 동력을 전달하는 방법이 고안되면서 본격적인 발전 공작기계의 역사 - 선반

36. 레오나르도 다빈치의 손에 의한 발판식 선반의 구상도 왼쪽의 구상도를 기초로 재현한 나사절삭기의 모델 다빈치가 구상한 발판식 선반과 나사절삭기

37. 완성된 형태의 모즐리(Maudslay) 선반

38. 최근 선반의 구성명칭

39. 선반에서 나사 절삭의 원리

40. 로버트의 선반(1817)과 Backgear

41. 평면절삭 도면(Nasmyth)과 기계(Robert, 1817)

42. 4-5. 산업혁명시기 교통수단의 발전 도로의 개량 철도의 건설 교통수단 발전의 3가지 국면 운하의 건설

43. 죠지 스티븐슨(George Stephenson, 1781 ~ 1848) • 영국 증기기관차 발명가, 철도의 아버지 • 광부 아들로 집안이 가난하여 학교에 가지 못함 • 8세 때에 광산에서 일하고, 14세 때에 화부 견습 • 17세에 뉴코먼 대기압기관의 기관사 • 18세 때 비로소 야학에서 학교교육을 받음 • 협력자가 된 아들 로버트를 낳음(1803).

44. 죠지 스티븐슨(George Stephenson, 1781 ~ 1848) • 킬링워스 광산의 기관장으로 초빙(1812) • 증기기관차를 제작(1813), 시운전 성공(1814) • 증기기관차로 석탄을 갱내에서 운반 • 스톡턴-달링턴 사이 21㎞의 철도개통(1821) • 세계 최초의 기관차 공장 설립(1823) • 로켓호(13마력)로 맨체스터-리버풀(45㎞) 개통(1830) • 세계 최초의 기계학회 초대학회장(1847)

45. 로버트 스티븐슨(Stephenson, Robert, 1803~1859) • 에든버러대학교 졸업, • 아버지와 함께 스톡턴∼달링턴 철도부설에 종사 • 런던∼버밍엄간 철도 부설 지도(1833∼1838년) • 가장 뛰어난 업적은 교량설계, 뉴캐슬 근교의 타인강에 고가교 가설 • 스웨덴·덴마크·벨기에·스위스·이집트 등지에서 철교 건설 • 1847년 하원의원, 토목공학연구소의 창립위원

46. 머독(William Murdock)의 증기기관차(1784)

47. 트레비딕(Richard Trevithick)증기기관차(1805)

48. 스티븐슨의 증기기관차블러허(Blucher)

49. 스티븐슨의 로커모션(Locomotion,1815)

50. 스티븐슨의 로켓호(1829)