전시 7개코스
엔진: 증기에서 로켓까지
연료를 태운 열이 어떻게 움직임이 되는지, 증기 기관부터 로켓을 들어 올리는 엔진까지 봅니다.
오래된 것부터, 증기 기관에서 자동차 엔진을 거쳐 바퀴를 돌리는 대신 배기를 내뿜어 미는 엔진까지 갑니다.
엔진은 열을 움직임으로 바꿉니다. 이 과정은 그 생각을 250년쯤 따라갑니다. 광산 양수기를 돌리던 증기기관에서 시작해, 자동차에서 힘을 만들고 키우고 바퀴로 넘기는 부품들을 지나, 배기가스로 몸체를 밀어내는 엔진에서 끝납니다.
모형은 모두 한 사이클씩 따라갈 수 있을 만큼 천천히 돌고, 대부분 잘라서 속을 볼 수 있습니다. 가는 동안 두 숫자를 눈여겨보세요. 연료의 에너지 중 얼마가 일로 바뀌는지, 그리고 부품이 얼마나 빨리 돌아야 하는지입니다.
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그림 40 · 원리관와트 증기기관 원리를 3D 단면과 응축기로 확인하기
와트 기관은 증기를 따로 마련한 응축기에서 식혀, 뉴커먼 기관과 같은 일을 석탄 3분의 1 정도로 해냈습니다.
따로 떨어진 복수기가 있을 때와 없을 때 드는 석탄을 비교해 보세요.
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그림 02 · 원리관4행정 엔진 원리와 두 바퀴마다 반복되는 피스톤 동작
3,000 rpm에서 실린더마다 1초에 25번 폭발합니다. 1기통부터 V8까지 기통 배치와 점화 순서를 바꿔 가며, 엔진을 아주 느리게 돌려 한 행정씩 봅니다.
크랭크를 아주 느리게 돌리고 실린더 하나의 네 행정을 따라가 보세요.
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그림 65 · 원리관터보차저의 원리
2.0L 엔진 모형에서 142,000rpm으로 도는 축 하나가 실린더마다 공기를 거의 두 배로 밀어 넣습니다.
과급압을 올리고 실린더마다 들어가는 공기가 얼마나 늘어나는지 보세요.
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그림 50 · 원리관수동 변속기의 원리
엔진이 똑같이 3,000 rpm으로 돌아도 1단에서는 시속 23 km, 5단에서는 시속 115 km가 나오고, 다음 기어가 들어갈 순간은 과자만 한 놋쇠 링 하나가 정합니다.
클러치 없이 변속해 보고 싱크로 링이 무엇을 멈춰야 하는지 보세요.
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그림 05 · 원리관자동차 차동기어 원리와 코너의 바퀴 속도를 3D로 비교
시속 50 km로 반경 10 m 커브를 돌면 바깥 뒷바퀴가 안쪽보다 17% 빨리 도는데, 두 바퀴는 같은 축에서 힘을 받습니다.
좁은 굽은 길을 돌면서 뒤 두 바퀴의 빠르기를 비교해 보세요.
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그림 41 · 원리관제트엔진의 원리
여객기 터보팬에서는 공기 11 kg 가운데 1 kg만 불꽃을 지납니다. 나머지 여섯 가지 제트엔진은 일을 다르게 나누고, 여기서 하나씩 열어 볼 수 있습니다.
터보팬을 열고 중심부를 돌아 나가는 공기의 몫을 찾아보세요.
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그림 58 · 원리관액체 로켓 엔진의 원리
누리호 75톤급 엔진은 1초에 케로신과 액체산소 255kg을 태우고, 같은 엔진이 우주에서는 해수면보다 13%쯤 더 세게 밉니다.
해수면에서 우주까지 올라가며 바깥 공기가 사라질수록 추력이 커지는 것을 보세요.