동역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

운동학

속도
v = v0 + a·t
변위
s = v0·t + ½·a·t²
시간 없이
v² = v0² + 2·a·s
단위
1 m/s = 3.6 km/h

방법

  1. 아는 값을 단위와 함께 적으세요: v₀, v, a, t, s.
  2. 아는 세 값과 미지수를 포함하는 식을 고르세요.
  3. 양의 방향을 하나 정하고 반대 방향의 양에는 음의 부호를 붙이세요.
  4. 풀고 나서 답이 물리적으로 타당한지 확인하세요.

뉴턴 법칙

뉴턴 제2법칙
ΣF = m·a
무게
W = m·g
운동 마찰
Ff = μ·N
경사면에서
경사면 방향: m·g·sin θ, 수직 방향: m·g·cos θ

방법

  1. 물체에 작용하는 모든 힘을 넣어 자유물체도를 그리세요.
  2. 운동 방향을 따라 양의 방향을 정하세요.
  3. 힘을 운동 방향과 그 수직 방향 성분으로 나누세요(빗면에서는 빗면을 따라 m·g·sin θ, 빗면 안쪽으로 m·g·cos θ).
  4. 운동 방향으로 ΣF = m·a를 적용하세요. 마찰력은 운동 반대 방향으로 μ·N입니다.

포물선 운동

성분
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
위치
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
최고 높이
H = h + vy²/(2g)
수평 도달 거리 (평지)
R = v0²·sin 2θ/g

방법

  1. 발사 속도를 성분으로 나누세요: vx = v₀·cos θ, vy = v₀·sin θ.
  2. 수평 운동은 등속이고, 연직 운동의 가속도는 −g입니다.
  3. 연직 운동에서 비행 시간을 구하세요.
  4. 그 시간을 수평 운동에 넣어 수평 도달 거리를 구하세요.

원운동

구심 가속도
a = v²/r = ω²·r
구심력
F = m·v²/r
각속도
ω = v/r = 2π/T
평평한 커브, 마찰
vmax = √(μ·g·r)

일과 에너지

운동 에너지
Ek = ½mv²
위치 에너지
Ep = mgh
에너지 수지
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
마찰력이 한 일
W = μ·N·d
전력
P = W/t

운동량과 충돌

운동량
p = m·v
보존
Σm·v (before) = Σm·v (after)
완전 비탄성
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
충격량
J = F·Δt = m·Δv

방법

  1. 양의 방향을 정하고 각 속도에 부호를 붙이세요.
  2. 충돌 전 전체 운동량을 쓰세요: Σm·v.
  3. 완전 비탄성 충돌에서는 충돌 후 물체들이 함께 움직이고, 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존됩니다.
  4. 충돌 전 운동량과 충돌 후 운동량을 같게 놓고 푸세요.

강체의 회전

G에 대한 관성 모멘트
막대 mL²/12, 원판 ½mR², 고리 mR², 균일한 구 (2/5)mR², 속 빈 구 (2/3)mR²
평행축 정리
I = IG + m·d²
회전 반지름
I = m·k²
끝에 대한 막대
I = mL²/3
운동 방정식
ΣM = I·α
rad/s 단위의 속도
ω = 2π·n/60
운동 에너지
E = ½·I·ω²
일과 일률
W = T·θ, P = T·ω
미끄러짐 없는 구름
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
각운동량
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
회전축에 대한 충돌
m·v·d = I·ω

방법

  1. 축을 정하세요: 고정된 회전축, 또는 구르는 물체의 질량 중심.
  2. 그 축에 대한 관성 모멘트를 기본 결과에서 구하세요. 축을 옮긴 경우에는 I = IG + m·d²을 쓰세요.
  3. 방법을 고르세요: 가속도와 힘에는 ΣM = I·α, 속력에는 에너지(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h), 충돌과 갑작스러운 변화에는 각운동량.
  4. 직선 운동과 회전 운동은 v = ω·r, a = α·r로 연결하고, rpm을 rad/s로 환산하세요.

기어와 기어열

맞물린 기어
n1·N1 = n2·N2
토크
T2 = T1·(N2/N1)·η
전력
P = T·ω, ω = 2π·n/60
복합 기어열
전체 기어비 = 각 단 기어비의 곱

용수철과 진자

용수철에 매달린 물체
T = 2π·√(m/k)
단진자
T = 2π·√(L/g)
각주파수
ω = √(k/m) = 2π/T
최대 속력과 최대 가속도
vmax = A·ω, amax = A·ω²
에너지
E = ½·k·A²

기계 진동

고유 진동수
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
정적 처짐으로부터
ωn = √(g/δst)
임계 감쇠
cc = 2√(km) = 2mωn
감쇠비
ζ = c/cc
감쇠 고유 진동수
ωd = ωn√(1 − ζ²)
대수 감쇠율
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
병렬 스프링
k = k1 + k2
직렬 스프링
1/k = 1/k1 + 1/k2

2연습 문제

1.운동학보통
t (s)v (m/s)1.2 s13.89

50 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.2 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 50 km/htr = 1.2 sa = −5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)4 s

트램이 정지 상태에서 출발해 4 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 14 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 4 st2 = 14 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 45°a = ?m = 2 kg

질량 2 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 45°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4.5 kg9.5 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 4.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 9.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 9.5 kgθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 115 m

평지에서 공을 38 m/s로 발사해 115 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 38 m/sR = 115 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 19 m/s55°H = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 19 m/s, 수평 위 55°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 19 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 2.2 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.2 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 2.2 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 1.2 mv = ?

길이 1.2 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1.2 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 8 mμ = 0.1

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 8 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
k = 800 N/m30°μ = 0.251 kg

30° 경사면 아래에 있는 강성 800 N/m인 스프링을 1 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 1 kgk = 800 N/mx = 15 cmθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg6 m/s1 kg

6 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 4.5 kgm2 = 1 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1800 kgv1​ = ?900 kg

1800 kg 자동차가 주차된 900 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 11.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1800 kgm2 = 900 kgd = 11.5 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 800 rpmP = 176.5 kW

축이 800 rpm에서 176.5 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 176.5 kWn = 800 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
원판: 39 kg고리: 4 kgn1​ = 400 rpm

균일한 원판(질량 39 kg, 반지름 0.45 m)이 마찰 없는 수직 축에서 400 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 4 kg이고 반지름이 같은 얇은 고리를 정지 상태에서 축 중심에 맞춰 원판 위에 떨어뜨리면, 둘은 곧 함께 회전한다. 이 과정에서 잃는 운동 에너지 ΔE을(를) 구하시오.

Mdisc = 39 kgMring = 4 kgR = 0.45 mn1 = 400 rpm
ΔE = J
15.기어와 기어열보통
N1​ = 16N2​ = 45

960 rpm으로 도는 11 kW 모터가 잇수 16개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 45개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 16N2 = 45η = 100%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
Ns​ = 18링 고정Np​ = 24nc​ = ?

유성 기어 장치에서 태양 기어의 잇수는 18개, 각 유성 기어의 잇수는 24개이다. 링 기어는 고정되어 있고 태양 기어는 900 rpm으로 구동된다. 유성 캐리어의 회전 속도 nc을(를) 구하시오.

Ns = 18Np = 24ns = 900 rpm
nc = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 2 mT = 4.61 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 2 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.61 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 2 mT = 4.61 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
0.5 kgk = 290 N/mA = 18 cm

k = 290 N/m인 용수철에 매단 0.5 kg 물체를 평형 위치에서 18 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgk = 290 N/mA = 18 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx30 mm5주기0.7 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 30 mm 다음 5주기 뒤에 최댓값 0.7 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 30 mmx5 = 0.7 mmn = 5
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 30m = 20 kg

20 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 40 kN/m, k₂ = 30 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 35.96 m

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

단위

v₀ = 50/3.6 = 13.89 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 13.89·1.2 = 16.67 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 13.89²/(2·5) = 19.29 m

합계

d = 16.67 + 19.29 = 35.96 m

답

d = 35.96 m
2.운동학

답: s = 172.5 m

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

최고 속력

v = a1·t1 = 2.5·4 = 10 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2.5·4² = 20 m
s2 = 10·14 = 140 m
s3 = 10²/(2·4) = 12.5 m

총거리

s = 20 + 140 + 12.5 = 172.5 m

답

s = 172.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.856 m/s²

뉴턴 제2법칙: 물체에 작용하는 알짜힘은 질량과 가속도의 곱과 같습니다: ΣF = m·a. 자유물체도를 그리고, 운동 방향을 따라 양의 방향을 정한 뒤, 그 방향의 모든 힘을 더하세요: 가한 힘, 운동을 방해하는 마찰력 μ·N, 중력의 성분.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 45° − 0.3·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.2121) = 4.856 m/s²

답

a = 4.856 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 53.8 N

뉴턴 제2법칙: 물체에 작용하는 알짜힘은 질량과 가속도의 곱과 같습니다: ΣF = m·a. 자유물체도를 그리고, 운동 방향을 따라 양의 방향을 정한 뒤, 그 방향의 모든 힘을 더하세요: 가한 힘, 운동을 방해하는 마찰력 μ·N, 중력의 성분.

줄 방향의 힘

m₂·g = 93.2 N
m₁·g·sin θ = 28.38 N
μ·m₁·g·cos θ = 6.763 N

계의 가속도

a = (93.2 − 28.38 − 6.763)/14 = 4.147 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 9.5·(9.81 − 4.147) = 53.8 N

답

T = 53.8 N
5.포물선 운동

답: θ = 25.69 °

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·115/38² = 0.7813

위상각

2θ = 51.38° → θ = 25.69°

답

θ = 25.69°

다른 해는 90° − θ = 64.31°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 37.35 m

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

처음 수직 속력

vy = 19·sin 55° = 15.56 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 15.56²/(2·9.81) = 12.35 m

지면으로부터의 높이

H = 25 + 12.35 = 37.35 m

답

H = 37.35 m
7.원운동

답: ω = 3.339 rad/s

등속 원운동: 반지름 r인 원 위를 속력 v로 움직이는 물체는 중심 쪽으로 a = v²/r의 가속도를 가지므로, 중심을 향하는 알짜힘 F = m·v²/r이 필요합니다. 이 힘은 마찰력, 장력, 중력, 수직항력 같은 실제 힘이 제공합니다.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.4·2.2)) = 3.339 rad/s

답

ω = 3.339 rad/s
8.원운동

답: vmin = 3.431 m/s

등속 원운동: 반지름 r인 원 위를 속력 v로 움직이는 물체는 중심 쪽으로 a = v²/r의 가속도를 가지므로, 중심을 향하는 알짜힘 F = m·v²/r이 필요합니다. 이 힘은 마찰력, 장력, 중력, 수직항력 같은 실제 힘이 제공합니다.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1.2) = 3.431 m/s

답

vmin = 3.431 m/s
9.일과 에너지

답: v = 8.055 m/s

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·8·(0.5 − 0.1·0.866)) = 8.055 m/s

답

v = 8.055 m/s
10.일과 에너지

답: d = 1.28 m

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d).

스프링 에너지

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·800·0.15² = 9 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(9.81·(0.5 + 0.25·0.866)) = 1.28 m

답

d = 1.28 m
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 3.818 m/s

운동량 보존: 충돌하는 동안 외력이 작용하지 않으면 충돌 전 전체 운동량 Σm·v는 충돌 후와 같습니다. 속도에는 방향이 있으므로 양의 방향을 정하고 반대 방향 속도에는 음의 부호를 붙이세요. 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존되고, 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 한 덩어리가 됩니다.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (4.5 − 1)/(4.5 + 1)·6 = 3.818 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 1)·6 = 9.818 m/s

답

v′1 = 3.818 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 18.85 m/s

운동량 보존: 충돌하는 동안 외력이 작용하지 않으면 충돌 전 전체 운동량 Σm·v는 충돌 후와 같습니다. 속도에는 방향이 있으므로 양의 방향을 정하고 반대 방향 속도에는 음의 부호를 붙이세요. 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존되고, 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 한 덩어리가 됩니다.

충돌 후의 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·11.5) = 12.57 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2700·12.57/1800 = 18.85 m/s

답

v1 = 18.85 m/s
(67.86 km/h)
13.강체의 회전

답: T = 2107 N·m

고정축 회전: 축에 대한 모멘트의 합은 I·α와 같습니다(ΣM = I·α). 병진에서 ΣF = m·a인 것과 같습니다. 에너지 형태로는, 토크 T가 각 θ(라디안)만큼 돌 때 한 일은 T·θ이며 운동 에너지 ½·I·ω²를 바꿉니다. 중력은 질량 중심의 m·g·Δh를 더하거나 뺍니다. 일률은 P = T·ω입니다.

각속도

ω = 2π·800/60 = 83.78 rad/s

토크

T = P/ω = 176500/83.78 = 2107 N·m

답

T = 2107 N·m
14.강체의 회전

답: ΔE = 589.7 J

구름과 각운동량: 미끄러지지 않고 구르는 물체는 v = ω·r이므로 운동 에너지는 ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²))입니다. 경사면에서는 a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²))가 됩니다. 어떤 축에 대해 외부 모멘트가 작용하지 않으면, 운동 에너지가 손실되더라도 그 축에 대한 각운동량은 일정합니다: I₁·ω₁ = I₂·ω₂.

관성 모멘트

I1 = ½·39·0.45² = 3.949 kg·m²
I2 = 4·0.45² = 0.81 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 400·3.949/4.759 = 331.9 rpm

충돌 전후의 운동 에너지

E1 = ½·3.949·41.89² = 3464 J
E2 = ½·4.759·34.76² = 2875 J
ΔE = 3464 − 2875 = 589.7 J

답

ΔE = 589.7 J
15.기어와 기어열

답: T2 = 307.7 N·m

기어열: 맞물린 기어는 이에서의 속도가 같으므로 n₁·N₁ = n₂·N₂입니다. 잇수가 적은 기어가 더 빨리 돕니다. 같은 축에 있는 기어는 같은 속도로 돕니다. 동력은 (손실을 빼고) 그대로 전달되므로 속도가 줄면 토크가 커집니다: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, 그리고 P = T·ω, ω = 2π·n/60.

모터 토크

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100.5 = 109.4 N·m

출력 토크

T2 = 109.4·45/16·1 = 307.7 N·m

답

T2 = 307.7 N·m
16.기어와 기어열

답: nc = 192.9 rpm

유성 기어 장치: 태양 기어, 링, 캐리어의 속도는 윌리스 식 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns로 연결됩니다. 캐리어에서 보면 장치는 유성 기어가 아이들 기어인 보통 기어열입니다. 한 요소를 고정하면 장치는 단일 감속비의 감속기가 됩니다.

링 기어 잇수

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·24 = 66

링 고정일 때의 윌리스 식

nr = 0으로 두고 캐리어 속도를 구합니다.

(900 − nc)/(0 − nc) = −66/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/84 = 192.9 rpm

답

nc = 192.9 rpm

캐리어는 태양 기어와 같은 방향으로 돕니다.

17.용수철과 진자

답: g = 3.715 m/s²

단순 조화 운동: 용수철 상수 k인 용수철에 매달린 질량 m인 물체는 각진동수 ω = √(k/m), 주기 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)로 진동합니다. 길이 L인 단진자의 주기는 T = 2π·√(L/g)입니다. 진폭이 A이면 최대 속력은 A·ω, 최대 가속도는 A·ω², 에너지는 ½·k·A²입니다.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·2/4.61² = 3.715 m/s²

답

g = 3.715 m/s²
18.용수철과 진자

답: vmax = 4.335 m/s

단순 조화 운동: 용수철 상수 k인 용수철에 매달린 질량 m인 물체는 각진동수 ω = √(k/m), 주기 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)로 진동합니다. 길이 L인 단진자의 주기는 T = 2π·√(L/g)입니다. 진폭이 A이면 최대 속력은 A·ω, 최대 가속도는 A·ω², 에너지는 ½·k·A²입니다.

각주파수

ω = √(290/0.5) = 24.08 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.18·24.08 = 4.335 m/s

답

vmax = 4.335 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.1188

질량–스프링계의 자유 진동: 비감쇠 고유 진동수는 rad/s 단위로 ωn = √(k/m), Hz 단위로 fn = ωn/(2π)입니다. 점성 감쇠기 c는 감쇠비 ζ = c/cc를 주며, 임계 감쇠 계수는 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn입니다. 부족 감쇠계(ζ < 1)는 ωd = ωn·√(1 − ζ²)로 진동합니다. 병렬 스프링은 더하고 k = k₁ + k₂, 직렬 스프링은 역수로 더합니다, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

대수 감쇠율

δ = (1/5)·ln(30/0.7) = 0.7516

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7516/√(39.48 + 0.5649) = 0.1188

답

ζ = 0.1188
20.기계 진동

답: fn = 9.416 Hz

질량–스프링계의 자유 진동: 비감쇠 고유 진동수는 rad/s 단위로 ωn = √(k/m), Hz 단위로 fn = ωn/(2π)입니다. 점성 감쇠기 c는 감쇠비 ζ = c/cc를 주며, 임계 감쇠 계수는 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn입니다. 부족 감쇠계(ζ < 1)는 ωd = ωn·√(1 − ζ²)로 진동합니다. 병렬 스프링은 더하고 k = k₁ + k₂, 직렬 스프링은 역수로 더합니다, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

등가 강성

나란히 놓인 스프링은 처짐이 같고 힘이 더해지므로 강성을 그냥 더합니다: k = k1 + k2.

keq = 40 + 30 = 70 kN/m

고유 진동수

ωn = √(70000/20) = 59.16 rad/s
fn = 59.16/(2π) = 9.416 Hz

답

fn = 9.416 Hz

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