기계

기계(機械, machine)는 동력을 사용하여 힘을 가하고 운동을 제어함으로써 특정 동작을 수행하는 열역학적 시스템이다. 이 용어는 일반적으로 엔진이나 모터를 사용하는 인공 장치에 적용되지만, 분자 기계와 같은 자연 생물학적 거대분자에도 적용된다. 기계는 동물과 사람, 바람과 물 같은 자연력, 그리고 화학적·열적·전기적 동력으로 구동될 수 있으며, 작동기 입력을 특정 용도의 출력 힘과 운동으로 변환하는 기구 시스템을 포함한다. 또한 성능을 모니터링하고 운동을 계획하는 컴퓨터와 센서를 포함할 수 있으며, 이를 흔히 기계 시스템이라 부른다.

르네상스 시대의 자연철학자들은 하중을 움직이게 하는 기본 장치인 여섯 가지 단순 기계를 식별하고, 오늘날 기계적 이점(mechanical advantage)으로 알려진 출력 힘 대 입력 힘의 비율을 계산하였다.

현대의 기계는 구조 요소, 기구, 제어 부품으로 구성된 복잡한 시스템이며, 편리한 사용을 위한 인터페이스를 포함한다. 예를 들어 기차, 자동차, 선박, 비행기 등 다양한 운송수단, 컴퓨터를 포함한 가정 및 사무용 가전제품, 건물 공조 및 급수 시스템, 농업 기계, 공작 기계, 공장 자동화 시스템 및 로봇 등이 있다.

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어원

영어 단어 machine은 중세 프랑스어를 거쳐 라틴어 machina에서 유래하였으며, 이는 다시 그리스어(도리스 방언 μαχανά makhana, 이오니아 방언 μηχανή mekhane '고안물, 기계, 엔진')에서 파생되었고, μῆχος mekhos('수단, 방편, 해결책')에서 비롯된 것이다. mechanical(그리스어: μηχανικός)이라는 단어도 같은 그리스어 어근에서 유래한다. '직물, 구조물'이라는 더 넓은 의미는 고전 라틴어에서 발견되지만 그리스어 용법에서는 나타나지 않는다. 이 의미는 중세 후기 프랑스어에서 발견되며, 16세기 중반에 프랑스어에서 영어로 차용되었다.

17세기에 machine이라는 단어는 음모나 계략을 의미하기도 했는데, 이 의미는 현재 파생어인 machination(책략)으로 표현된다. 현대적 의미는 16세기 후반과 17세기 초반에 극장의 무대 장치와 군사 공성 장비에 이 용어를 특수하게 적용한 데서 발전하였다. 옥스퍼드 영어사전(OED)은 공식적인 현대적 의미를 존 해리스의 『기술 사전』(Lexicon Technicum, 1704)에서 추적하는데, 여기에는 다음과 같이 기술되어 있다:

기계(Machine) 또는 엔진(Engine)이란, 역학에서 물체의 운동을 일으키거나 정지시키기에 충분한 힘을 가진 모든 것을 말한다. 단순 기계는 통상 여섯 가지로 꼽히는데, 즉 저울, 지렛대, 도르래, 바퀴, 쐐기, 나사이다. 복합 기계 또는 엔진은 셀 수 없이 많다.

해리스와 이후의 언어에서 (거의) 동의어로 사용된 engine이라는 단어는 궁극적으로 (고대 프랑스어를 거쳐) 라틴어 ingenium('독창성, 발명')에서 유래하였다.

역사

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부싯돌을 깎아 쐐기 형태로 만든 손도끼는 사람의 손에서 도구의 힘과 운동을 가공물의 횡방향 분리 힘과 운동으로 변환한다. 손도끼는 쐐기의 최초 사례로, 대부분의 기계가 기반하는 여섯 가지 고전적 단순 기계 중 가장 오래된 것이다. 두 번째로 오래된 단순 기계는 빗면(경사로)으로, 선사시대부터 무거운 물체를 옮기는 데 사용되었다.

나머지 네 가지 단순 기계는 고대 근동에서 발명되었다. 바퀴는 바퀴와 축 기구와 함께 기원전 5천년기에 메소포타미아(현대 이라크)에서 발명되었다. 지렛대 기구는 약 5,000년 전 근동에서 처음 등장하여 단순한 천칭저울에 사용되었고, 고대 이집트 기술에서 대형 물체를 옮기는 데 활용되었다. 지렛대는 또한 최초의 기중기인 샤두프(shadoof) 양수 장치에도 사용되었는데, 이는 기원전 약 3000년경 메소포타미아에서 등장하였고, 이후 기원전 약 2000년경 고대 이집트 기술에서도 나타났다. 도르래의 최초 증거는 기원전 2천년기 초 메소포타미아와 제12왕조(기원전 1991~1802년) 시기의 고대 이집트로 거슬러 올라간다. 단순 기계 중 마지막으로 발명된 나사는 신아시리아 시대(기원전 911~609년)의 메소포타미아에서 처음 등장하였다. 이집트 피라미드는 여섯 가지 단순 기계 중 세 가지, 즉 빗면, 쐐기, 지렛대를 사용하여 건설되었다.

세 가지 단순 기계—지렛대, 도르래, 나사—는 기원전 3세기경 그리스 철학자 아르키메데스에 의해 연구되고 기술되었다. 아르키메데스는 지렛대에서 기계적 이점의 원리를 발견하였다. 이후의 그리스 철학자들은 고전적인 다섯 가지 단순 기계(빗면 제외)를 정의하고 그 기계적 이점을 대략적으로 계산할 수 있었다. 알렉산드리아의 헤론(약 10~75년)은 그의 저작 『역학』(Mechanics)에서 "하중을 움직이게 할 수 있는" 다섯 가지 기구—지렛대, 윈들러스, 도르래, 쐐기, 나사—를 나열하고 그 제작법과 용도를 설명하였다. 그러나 그리스인들의 이해는 정역학(힘의 균형)에 한정되어 있었고, 동역학(힘과 거리의 상충 관계)이나 일(work)의 개념은 포함하지 못하였다.

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최초의 실용적인 풍력 기계인 풍차와 풍력 펌프는 이슬람 황금기에 현재의 이란, 아프가니스탄, 파키스탄 지역에서 9세기경 이슬람 세계에 처음 등장하였다. 최초의 실용적인 증기 동력 기계는 증기 터빈으로 구동되는 증기 잭(steam jack)으로, 1551년 오스만 제국의 이집트에서 타키 알딘 무함마드 이븐 마루프가 기술하였다.

조면기(cotton gin)는 6세기경 인도에서 발명되었고, 물레(spinning wheel)는 11세기 초 이슬람 세계에서 발명되었는데, 이 두 기계는 면직 산업의 성장에 근본적인 역할을 하였다. 물레는 또한 방적기(spinning jenny)의 전신이기도 하였다.

최초의 프로그래밍 가능한 기계는 이슬람 세계에서 개발되었다. 음악 시퀀서, 즉 프로그래밍 가능한 악기가 가장 초기의 프로그래밍 가능한 기계였다. 최초의 음악 시퀀서는 바누 무사 형제가 발명한 자동 피리 연주기로, 9세기에 그들의 저서 『독창적인 장치의 서』(Book of Ingenious Devices)에 기술되어 있다. 1206년, 알자자리는 프로그래밍 가능한 자동 장치와 로봇을 발명하였다. 그는 프로그래밍 가능한 드럼 머신으로 작동하는 드러머를 포함한 네 명의 자동 연주 인형을 기술하였는데, 이들은 다양한 리듬과 드럼 패턴을 연주할 수 있었다.

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르네상스 시대에는 단순 기계를 일컫던 '기계적 힘'(Mechanical Powers)의 동역학이 얼마나 많은 유용한 일을 수행할 수 있는지의 관점에서 연구되기 시작하였고, 이는 결국 역학적 일(mechanical work)이라는 새로운 개념으로 이어졌다. 1586년 플랑드르 공학자 시몬 스테빈은 빗면의 기계적 이점을 도출하였고, 빗면은 다른 단순 기계들과 함께 포함되었다. 단순 기계의 완전한 동역학 이론은 1600년 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이가 『역학에 관하여』(Le Meccaniche)에서 완성하였다. 그는 단순 기계가 에너지를 창조하는 것이 아니라 단지 변환할 뿐이라는 사실을 최초로 이해한 사람이었다.

기계에서의 미끄럼 마찰에 관한 고전적 법칙은 레오나르도 다 빈치(1452~1519)가 발견하였으나, 그의 공책에 미발표 상태로 남아 있었다. 이 법칙은 기욤 아몽통(1699)에 의해 재발견되었고, 샤를 오귀스탱 드 쿨롱(1785)에 의해 더욱 발전되었다.

제임스 와트는 1782년에 평행 운동 연결 장치의 특허를 취득하였으며, 이는 복동식 증기기관을 실용화하였다. 볼턴 앤 와트 증기기관과 이후의 설계들은 증기기관차, 증기선, 공장에 동력을 공급하였다.

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산업혁명은 1750년부터 1850년까지의 시기로, 농업, 제조업, 광업, 운송, 기술의 변화가 당시의 사회적·경제적·문화적 조건에 심대한 영향을 미쳤다. 산업혁명은 영국에서 시작되어 이후 서유럽, 북미, 일본, 그리고 결국 전 세계로 확산되었다.

18세기 후반부터 영국의 일부 지역에서 기존의 수작업 및 역축(役畜) 기반 경제에서 기계 기반 제조업으로의 전환이 시작되었다. 이는 섬유 산업의 기계화, 제철 기술의 발전, 정제 석탄의 사용 증가로부터 시작되었다.

단순 기계

기계를 단순한 운동 요소로 분해할 수 있다는 개념은