증기기관차의 발명원리는 어떻게 되나요?

Question

안녕하세요.

증기기관차의 첫 시작은 언제쯤 누가 고안해내었으며

증기기관차의 발명원리는 과학적으로 어떻게 만들어진건가요?

Answer 1

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

증기기관차는 증기의 힘으로 달리는 기관차이고 전기 기관차는 전기의 힘으로 달리는 기관차입니다

역사적으로는 증기 기관차가 오래 된 기술이고 전기기관차가 최신 기술입니다

인류의 문명이 발전하게 되는 결정적인 게기가 영국의 산업혁명이고 이 산업혁명은 그동안 사람 힘으로 하던 모든 일을 증기기관이라는 기계를 이용하게 됨으로서 대량 생산의 길을 열게 된 것입니다 그전까지는 물건을 사람 손으로 직접 만들었지만 증기기관의 발명으로 공장에서 기계의 힘으로 만들게 된 것이지요

증기 기관은 물을 끓여 나오는 수증기의 힘으로 기계를 돌리는 장치로서 이 때부터 사람대신 기계의 힘을 이용하는 문명의 발전이 시작된 것입니다 그래서 증기기관의 발명이 인류의 역사에 끼치는 영향은 엄청나게 큰 것입니다

증기 기관차는 당시 운송수단으로 사용되던 마차를 끌고가는 말의 힘이 한정되어 있어서 공장에서 생산하는 많은 물건을 제대로 운반하지 못하자 산업 발전에 따를 수요 증가에 맞도록 더 많은 짐을 더 빠르게 수송하기 위한 방법을 개발하면서 증기기관의 원리를 이용하여 영국의 스티븐슨이 발명한 것입니다 증기 기관차는 증기를 만드는 보일러와 석탄, 그리고 물을 실고 보일러에서 만든 증기를 이용하여 증기기관으로 바퀴를 굴러가게하는 구동장치를 개발하여 기관차를 달리게 하였습니다

"증기기관을 차량에 응용한 것은 18세기 후반부터 영국 등에서 시도되었으나 1814년 G.스티븐슨이 증기기관차의 시작에 성공하여 1825년에 만든 로커모션호는 이해에 개업한 세계 최초의 철도 스톡턴∼달링턴 철도에서 실용화에 성공하였다. 이 기관차는 약 90t의 객·화차를 견인하여 시속 16km의 속도로 주파하였다고 한다. 그후 1829년 리버풀맨체스터철도의 개업을 앞두고 기관차경주가 행해졌는데 스티븐슨과 그 아들이 만든 로켓호는 최고시속 46km를 내어 우승함으로써 증기기관차의 우수한 성능과 실용가능성을 일반이 인식하게 되었다. 그후 증기기관차는 각국의 철도에 채택되어 장거리주행을 위하여 석탄과 물을 다른 차량에 적재하여 견인하는 텐더 기관차가 출현하였으며, 속도를 증가하기 위하여 동륜(動輪) 지름을 크게 하는 등의 시도가 이루어져 모두 실용화되었다. 기관차의 대형화는 19세기 말까지 크게 진척됨에 따라 견인력도 점점 증대하였다."

(출처 : '증기기관차와차의발달좀' - 네이버 지식iN)

증기 기관차는 당시 마차에 의존하는 수송 수단보다 몇십배를 한번에 수송하는 혁명적인 변화를 가져와서 사회적인 변화를 만들게 됩니다. 그런데 증기 기관차는 보일러, 석탄, 물 그리고 증기기관까지 실고가기 때문에 무게가 엄청나게 무겁기 때문에 마차처럼 보통 도로를 달리지 못하여 기관차가 다닐수 있도록 레일을 깔아 별도의 철도를 만들게 됩니다. 이렇게 만들어진 철도를 따라 사람들이 타고 내리는 정거장이 만들어지고 이에 따라 이 정거장 주변이 발달하여 도시가 만들어 지게 됩니다

증기 기관차의 발명으로 인구 집중이 가능하게 되어 비로소 대규모 도시가 많이 만들어지게 된 것입니다. 이때부터 유럽에서 농촌에 골고루 퍼져 살던 사람들이 도시로 모이게 됩니다

그런데 이 증기기관차는 반드시 증기가 있어야 하기 때문에 이 증기를 생산하기 위한 물과 연료인 석탄을 실고 다니게 되고 또 석탄을 태우는 과정에서 엄청난 석탄분진과 매연이 발생하여 도시 내부에서 운행하기에는 적당하지 못하여 이를 대체할 새로운 기술을 기다리게 됩니다

영국 런던에서 최초의 지하철은 이 증기 기관차가 운행하였다고 합니다

땅속에서 매연을 품고 달리는 증기 기관차 지하철을 상상해 보세요

전기기관차는 독일에서 최초로 상업화가 됩니다

그 유명한 독일 지멘스라는 사람이 만든 회사에서 1900년대 초반에 전기기관차를 만들어 운전에 성공하여 유럽의 모든 도시에서 도시교통 수단으로 이 전기 기관차가 폭발적으로 보급됩니다

우리가 전차라고 알고있고 우리나라에도 한때 종로에 다녔다는 전차는 자동차가 개발되기 전에 나와서 당시 모든 도시의 중요한 교통수단이 되어 당시 도시교통을 대부분 소화하엿지요

이 전차는 매연도 없고 소음도 없으며 증기기관차보다 가벼워서 도시 교통수단으로는 큰 인기를 끌었지요

하지만 여전히 도시 사이를 연결하는 철도는 여전히 증기기관차가 승객과 화물을 운반하였습니다 왜냐하면 당시 기술로는 증기기관차보다 빠르거나 힘이 센 전기기관차를 만들지는 못하였거든요

제2차 세계대전이 끝나고 전쟁중 개발된 많은 기술이 활용되면서 새로운 휘발유 엔진과 디젤엔진 기술이 자동차라는 새로운 교통수단을 만들게 됩니다

하지만 당시 전기를 제어하는 기술은 컴퓨터가 나오기 전이라서 전기기관차는 그다지 발전하지 못하여 그 결과 2차 세계대전이 끝나면서 대부분의 도시 내부는 자동차가 이 전차를 대체하게 되었고 외부 철도는 디젤 기관차가 증기기관차를 대체하게 되었습니다

그런데 사실 디젤 기관차는 엔진만 디젤일 뿐 실제 기관차를 움직이는 장치는 전기모타로서 기관차 속에 설치된 디젤엔진으로 발전기를 돌려 전기를 생산하고 이 전기로 기관차 바퀴에 연결된 모타를 움직이는 전기기관차의 일종입니다

당시 기술로는 전기를 가지고 엄청나게 무거운 기관차의 속도와 힘을 직접 통제하기 어려운 반면 이 전기를 만드는 디젤기관의 출력을 조절하기는 쉽기 때문에 디젤기관차가 널리 보급된 것입니다. 또한 전기 공급을 위한 전차선을 철도에 건설하려면 비용이 많이 드는데 디젤기관차로 운행하면 그런 비용이 들지 않아 경제적인 면도 영향을 주었던 것입니다

이후 컴퓨터가 발명되고 이 컴퓨터를 이용하여 전기를 다루는 기술이 발전하여 모터의 힘과 속도를 마음대로 제어할 수 있게 되면서 전기기관차는 눈부시게 발전하게 됩니다 현재 고속열차가 빠르고 안전하게 달리고 있고 지하철은 도시속에서 매일같이 많은 사람을 운반하고 있습니다

이제는 우리 나라에서도 철도에 전차선을 설치하여 시끄럽고 비효율적인 디젤기관차를 전기기관차로 바꾸는 전철화 작업을 진행하고 있지요. 전기기관차가 훨씬 빠르고 조용하며 환경 친화적이기 때문에 앞으로 우리나라 철도는 대부분 전기기관차로 바뀔 것입니다

하지만 미국같이 땅이 넓은 나라는 전기 공급시설비용이 많이 들어 디젤기관차를 이용하는 것이 경제적이겠지만 일본은 벌써 거의 대부분의 철도에 전기 기관차가 다니고 있습니다

이제 증기기관차는 박물관에 가야 만날수 있습니다. 물론 아직 경제적으로 어려운 나라에서는 운전이 간편한 증기기관차를 사용하기도 하지만 속도가 느리고 매연, 소음 등의 문제가 많아 차차 사라질 수밖에 없다고 봅니다. 하지만 몇몇 관광 철도에서는 이 증기기관차가 추억속 여행을 즐기고 싶은 승객을 싣고 앞으로도 오랫동안 칙칙폭폭하며 달릴것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.증기기관차의 원리는 간단합니다. 먼저, 연료인 석탄, 나무, 오일 등을 연소시켜 보일러 안에 있는 물을 가열합니다. 가열된 물은 수증기에서 증발하여 증기가 되고, 증기는 보일러 상단에서 증기관을 통해 기관차 엔진으로 이동합니다.

증기가 기관차 엔진으로 이동하면, 기관차 엔진 내부에서는 증기의 압력과 열이 이용되어 움직입니다. 일반적으로 증기기관차의 엔진은 피스톤과 실린더로 이루어져 있으며, 증기는 실린더 안으로 들어와 피스톤을 밀어 올리고 내려서, 휘발유 엔진에서의 폭발과 같은 원리로 회전력을 생성합니다.

이러한 회전력은 바퀴를 돌리는 등의 작업을 수행하기 위해 전달되며, 이를 통해 증기기관차는 이동합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

증기기관차는 1804년 영국의 발명가 리처드 트레비식이 최초로 발명했습니다 증기 기관차는 증기 기관에서 동력을 얻는데 증기 기관은 물이 끓어서 증기로 변할 때 생기는 압력으로 작동합니다물이 끓으면 증기로 변하고 증기는 실린더로 이동합니다. 실린더 안의 피스톤은 증기의 압력에 의해 위로 밀리고 피스톤이 위로 움직일 때 기관차가 앞으로 움직입니다

Answer 4

안녕하세요.

증기 기관차의 발명은 19세기 초기에 영국의 제임스 와트(James Watt)와 그의 협력자들에 의해 이루어졌습니다. 제임스 와트는 증기 기관에 대한 개선 작업을 하면서, 증기 기관의 효율성을 높이고, 기관의 크기를 줄이는 등의 기술적인 문제를 해결하였습니다.

증기 기관은 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치입니다. 증기 기관차는 증기 기관의 원리를 이용하여, 증기에너지를 이용해 열에너지를 기계적인 운동 에너지로 변환하여 움직입니다.

증기 기관차의 작동 원리는 간단히 말하면, 물을 가열하여 증기를 발생시킨 후, 그 증기를 실린더 안에 인입시켜서 실린더의 피스톤을 움직이게 하고, 이를 이용하여 기관차의 바퀴를 움직이는 것입니다.

증기 기관차는 역사적으로 매우 중요한 기술적 발명 중 하나입니다. 증기 기관차가 개발되기 이전에는 인력과 가축 등을 이용하여 운송이 이루어졌습니다. 하지만 증기 기관차의 등장으로 철도를 통한 운송이 대규모화되면서, 산업혁명의 발전과 함께 세계적으로 인프라 구축이 이루어지며, 현대의 발전된 운송 수단이 만들어지는 데 중요한 역할을 했습니다.

Answer 5

안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.

증기기관차는 19세기를 상징하는 인공물로 영국 산업혁명의 대미를 장식했다. 증기기관차의 선구자로는 퀴뇨, 머독, 트레비식 등이 있으며, 상업적으로 활용된 증기기관차를 최초로 만든 사람은 조지 스티븐슨(George Stephenson, 1781~1848)이었다.

실린더안에 수증기를 주입하면 피스톤이 밀려 올라간다. 이 수증기를 다시 응축시켜 진공을 만들면 외부 대기 압력과 실린더 안의 압력에 차이가 생겨 피스톤이 아래로 내려간다. 이 과정을 통해 실린더는 상하운동을 한다. 피스톤에 양동이를 연결하면 사람이 물을 퍼 올리지 않아도 증기압력으로 인해 생기는 상하운동을 이용해 양동이로 물을 퍼 올릴 수 있다

Answer 6

안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.

증기기관차는 말 그대로 석탄이나 석유를 태워 물을 끓이고, 그 증기를 이용해 바퀴를 돌리는원리를 차에 적용한것입니다.

Answer 7

안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.

증기기관차는 다음과 같은 원리로 움직입니다.

운전실의 화실에서 석탄이나 정유를 연소시켜 발생된 연소가스는 가는 관을 통과시켜 보일러의 물을 가열하여 증기를 발생시키고 그 연소가스는 실린더로 보냅니다.

실린뎌 내부 압력이 외부 기압보다 높아 증기가 팽창하면 그 힘으로 피스톤을 움직이게 되며

피스톤의 전후운동을 직선운동으로서 연결봉에 전달되며, 연결봉의 다른 끝은 기관차 차륜

(바퀴)의 크랭크(상하운동을 회전운동으로 변환하는 장치)에 연결되어 움직여 차륜을 회전

시킵니다. 또 차륜 크랭크의 바깥쪽에는 귀환크랭크가 붙어 있어서 차륜이 회전하게 됩니다.

이 회전 운동이 기관차를 움직이게 하는 원리입니다.

Answer 8

증기기관차의 발명은 18세기 후반에 영국의 제임스 와트( James Watt)에 의해 이루어졌습니다. 그 전에도 증기기관에 대한 연구는 진행되었지만, 와트는 기존의 문제점들을 해결하여 증기기관의 상용화를 가능케 했습니다.

와트의 증기기관은 대표적으로 이중피스턴 엔진(DOUBLE-ACTING PISTON ENGINE)이라 불리며, 이는 피스턴(Piston)이 두 개인 증기기관입니다. 이중피스턴 엔진의 작동 원리는 증기의 압력을 이용하여 피스턴을 상하로 이동시켜 축과 연결된 링크(Rod)를 움직여 회전력을 전달하는 것입니다.

증기기관의 작동 원리는 다음과 같습니다. 먼저 증기를 생산하는 보일러에서 물을 가열하고, 증기는 실린더(Cylinder)로 이동하여 피스턴을 상하로 움직입니다. 그러면 축이 회전하여 휠을 움직여 기관차를 움직입니다.