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)t = ?30

108 km/h로 달리던 자동차가 5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)6 s

트램이 정지 상태에서 출발해 6 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 9 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 6 st2 = 9 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
7 kg4 kg

7 kg과 4 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 7 kgm2 = 4 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1 kg4.5 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 1 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 1 kgm2 = 4.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 32 m/s50°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 32 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 34 m/s15°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 15°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 2 m40°

길이 2 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 40°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 2 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 1.1 mv = 8 m/s

길이 1.1 m인 줄에 매단 질량 1.5 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgr = 1.1 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
35°d = 3 mμ = 0.2

질량 1 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 3 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.2이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 35°μ = 0.2d = 3 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
k = 3000 N/m30°μ = 0.32 kg

30° 경사면 아래에 있는 강성 3000 N/m인 스프링을 2 kg 블록으로 8 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. 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 = 2 kgk = 3000 N/mx = 8 cmθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
5 kg11 m/s4.5 kg

11 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1900 kg24 m/s2000 kg20 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1900 kg 자동차가 북쪽으로 20 m/s로 달리던 2000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1900 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 2000 kgv2 = 20 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
n = 700 rpmT = 50 N·m

모터가 700 rpm에서 50 N·m의 토크를 낸다. 출력 P을(를) kW로 구하시오.

T = 50 N·mn = 700 rpm
P = kW
14.강체의 회전어려움
9 m/sω

질량 18 kg의 균일한 원기둥이(가) 9 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 회전 운동 에너지 Erot을(를) 구하시오.

m = 18 kgv = 9 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.기어와 기어열보통
N1​ = 25N2​ = 72

1440 rpm으로 도는 0.75 kW 모터가 잇수 25개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 72개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 0.75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 25N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 16C = 30D = 36

1440 rpm의 1.1 kW 모터가 기어 A(잇수 12개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 16개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 30개)는 출력축의 기어 D(잇수 36개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 96%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 1.1 kWnin = 1440 rpmA = 12B = 16C = 30D = 36ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
L = 1.9 mT = 1.74 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.9 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.74 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.9 mT = 1.74 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?5.5

한 물체가 주기 3.2 s, 진폭 11 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 11 cm에서 변위 5.5 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 3.2 sA = 11 cmx = 5.5 cm
t = s
19.기계 진동보통
k = 80 kN/mζ = 0.45m = 50 kg

강성 80 kN/m인 스프링에 달린 50 kg 질량에 감쇠비 0.45을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk = 80 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 60m = 50 kg

50 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 12 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 60 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 6 s

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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/5 = 6 s

답

t = 6 s
2.운동학

답: s = 164.6 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 = 2·6 = 12 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·6² = 36 m
s2 = 12·9 = 108 m
s3 = 12²/(2·3.5) = 20.57 m

총거리

s = 36 + 108 + 20.57 = 164.6 m

답

s = 164.6 m
3.뉴턴 법칙

답: T = 49.94 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (7 − 4)·9.81/(7 + 4) = 2.675 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 4·(9.81 + 2.675) = 49.94 N

답

T = 49.94 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 7.58 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (44.15 − 2.453)/5.5 = 7.58 m/s²

답

a = 7.58 m/s²
5.포물선 운동

답: H = 30.63 m

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

초기 속도 분해

수평 속도는 일정하고, 연직 운동은 아래쪽으로 일정한 가속도 g = 9.81 m/s²을(를) 가집니다.

vx = v0·cos θ = 32·cos 50° = 20.57 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 50° = 24.51 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 24.51²/(2·9.81) = 30.63 m

답

H = 30.63 m
6.포물선 운동

답: t = 3.326 s

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

초기 속도 분해

수평 속도는 일정하고, 연직 운동은 아래쪽으로 일정한 가속도 g = 9.81 m/s²을(를) 가집니다.

vx = v0·cos θ = 34·cos 15° = 32.84 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 15° = 8.8 m/s

체공 시간

y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0을 풀어 양의 근을 택합니다.

0 = 25 + 8.8·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.8 + √(77.44 + 490.5))/9.81 = 3.326 s

답

t = 3.326 s
7.원운동

답: T = 2.483 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 2·sin 40° = 1.286 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(1.286·9.81·tan 40°) = 3.253 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·1.286/3.253 = 2.483 s

답

T = 2.483 s
8.원운동

답: T = 102 N

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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 1.5·9.81 + 1.5·8²/1.1 = 14.71 + 87.27 = 102 N

답

T = 102 N
9.일과 에너지

답: Wf = 4.822 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 9.81·0.8192 = 8.036 N
F = μN = 0.2·8.036 = 1.607 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 1.607·3 = 4.822 J

답

Wf = 4.822 J
10.일과 에너지

답: d = 0.644 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 = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·3000·0.08² = 9.6 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9.6/(19.62·(0.5 + 0.3·0.866)) = 0.644 m

답

d = 0.644 m
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 0.5789 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 = (5 − 4.5)/(5 + 4.5)·11 = 0.5789 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 4.5)·11 = 11.58 m/s

답

v′1 = 0.5789 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 41.26 °

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.

운동량 성분

px = 1900·24 = 45600 kg·m/s
py = 2000·20 = 40000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.8772 → θ = 41.26°

답

θ = 41.26°
13.강체의 회전

답: P = 3.665 kW

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·700/60 = 73.3 rad/s

전력

P = T·ω = 50·73.3 = 3665 W = 3.665 kW

답

P = 3.665 kW
14.강체의 회전

답: Erot = 364.5 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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·18·9² = 729 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·729 = 364.5 J

답

Erot = 364.5 J
15.기어와 기어열

답: T1 = 4.974 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/150.8 = 4.974 N·m

답

T1 = 4.974 N·m
16.기어와 기어열

답: Tout = 10.76 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.

출력 회전 속도

nout = 1440·(12/16)·(30/36) = 900 rpm
ωout = 2π·900/60 = 94.25 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 1100·0.96² = 1014 W
Tout = Pout/ωout = 1014/94.25 = 10.76 N·m

답

Tout = 10.76 N·m
17.용수철과 진자

답: g = 24.78 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 = 4π²·1.9/1.74² = 24.78 m/s²

답

g = 24.78 m/s²
18.용수철과 진자

답: t = 0.5333 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 = 2π/T = 2π/3.2 = 1.963 rad/s

시간에 대해 풀기

0.5 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.5) = 1.047 rad
t = 1.047/1.963 = 0.5333 s

답

t = 0.5333 s
19.기계 진동

답: fd = 5.685 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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(80000/50) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6.366 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6.366·√(1 − 0.45²) = 5.685 Hz

답

fd = 5.685 Hz
20.기계 진동

답: keq = 10 kN/m

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

직렬 스프링은 같은 힘을 받고 처짐이 더해지므로 역수로 합성합니다: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/12 + 1/60 → keq = 12·60/(12 + 60) = 10 kN/m

답

keq = 10 kN/m

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