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 = ?10

36 km/h로 달리던 자동차가 8 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 3.5 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 3.5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°35 kgF = ?

35 kg 상자를 수평과 25°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 35 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 7 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 7 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 7 m/sθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
60 my = ?v0​ = 30 m/s35°

평지에서 공을 30 m/s, 수평 위 35°로 60 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 30 m/sθ = 35°x = 60 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 19 m/s45°x = ?

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 19 m/sθ = 45°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 90 m23 m/s

1300 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 23 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 90 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1300 kgv = 23 m/sr = 90 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 1.3 m8.5 m/svtop​ = ?

길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매단 0.2 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 8.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgr = 1.3 mvbottom = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
54 km/h4°1000 kg

1000 kg 자동차가 4° 경사로를 일정한 54 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 200 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1000 kgθ = 4°Fr = 200 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
F = 40 N30°μ = 0.155 kg

5 kg 블록이 30° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 40 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 10 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgF = 40 Nθ = 30°μ = 0.15d = 10 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1800 kg12 m/s900 kg

12 m/s로 움직이는 1800 kg 자동차가 정지해 있는 900 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1800 kgv1 = 12 m/sm2 = 900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
28 m/s4 m/s

질량 0.6 kg인 공이 28 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 4 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 28 m/svout = 4 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
n = 2700 rpmT = 30 N·m

모터가 2700 rpm에서 30 N·m의 토크를 낸다. 출력 P을(를) kW로 구하시오.

T = 30 N·mn = 2700 rpm
P = kW
14.강체의 회전어려움
θ = 20°as = 1.5 m

균일한 구이(가) 수평면과 20°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 1.5 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 20°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 1.5 m
t = s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm1440 rpmn2​ = ?

150 mm 풀리가 1440 rpm으로 돌며 미끄러짐 2.5 %인 벨트로 315 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 1440 rpmd1 = 150 mmd2 = 315 mms = 2.5 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 16C = 18D = 25

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 12개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 16개)를 구동한다. 기어 C(잇수 18개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 25개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 12B = 16C = 18D = 25
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.4 s

k = 40 N/m인 스프링에 매단 1.8 kg 질량을 양의 방향으로 14 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.4 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 1.8 kgk = 40 N/mA = 14 cmt = 1.4 s
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
0.8 kgk = 140 N/mA = 10 cm

k = 140 N/m인 용수철에 매단 0.8 kg 물체를 평형 위치에서 10 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgk = 140 N/mA = 10 cm
E = J
19.기계 진동보통
tx50 mm3주기28.4 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 28.4 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx3 = 28.4 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 50m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 25 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 50 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 1.25 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 = 36/3.6 = 10 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/8 = 1.25 s

답

t = 1.25 s
2.운동학

답: d = 54.73 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(3.5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1201 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1201))/(2·4.905) = 3.34 s

깊이

d = ½·9.81·3.34² = 54.73 m

답

d = 54.73 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 207.3 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 145.1 + 62.24 = 207.3 N

답

F = 207.3 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.003 m

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.

감속도

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 20° + 0.3·cos 20°) = 6.121 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 7²/(2·6.121) = 4.003 m

답

d = 4.003 m
5.포물선 운동

답: y = 12.77 m

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

벽까지의 시간

vx = 30·cos 35° = 24.57 m/s
t = x/vx = 60/24.57 = 2.442 s

그 시각의 높이

y = 17.21·2.442 − ½·9.81·2.442² = 12.77 m

답

y = 12.77 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 63.06 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 = 19·cos 45° = 13.44 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 45° = 13.44 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 13.44·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.44 + √(180.5 + 882.9))/9.81 = 4.694 s

수평 거리

x = vx·t = 13.44·4.694 = 63.06 m

답

x = 63.06 m
7.원운동

답: N = 5112 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.

꼭대기에서의 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 1300·9.81 − 1300·23²/90 = 12753 − 7641 = 5112 N

답

N = 5112 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: Ttop = 1.305 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.

꼭대기에서의 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 8.5² − 4·9.81·1.3 = 21.24 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.2·21.24/1.3 − 0.2·9.81 = 1.305 N

답

Ttop = 1.305 N
9.일과 에너지

답: P = 13.26 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 1000·9.81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 4° = 684.3 N
F = 684.3 + 200 = 884.3 N

전력

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 884.3·15 = 13265 W = 13.26 kW

답

P = 13.26 kW
10.일과 에너지

답: v = 6.034 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
mg·sin θ = 24.52 N
μ·mg·cos θ = 6.372 N

일–에너지

½mv² = (40 − 30.9)·10 = 91.03 J
v = √(2·91.03/5) = 6.034 m/s

답

v = 6.034 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 43200 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1800·12/2700 = 8 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1800·12² = 129600 J
Kafter = ½·2700·8² = 86400 J

잃은 에너지

ΔK = 129600 − 86400 = 43200 J

답

ΔK = 43200 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 3840 N

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 변화

J = m·Δv = 0.6·(4 + 28) = 19.2 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 19.2/0.005 = 3840 N

답

Favg = 3840 N
13.강체의 회전

답: P = 8.482 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·2700/60 = 282.7 rad/s

전력

P = T·ω = 30·282.7 = 8482 W = 8.482 kW

답

P = 8.482 kW
14.강체의 회전

답: t = 1.119 s

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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.4·m·r²·(a/r) → f = 0.4·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 20°/1.4 = 2.397 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·1.5/2.397) = 1.119 s

답

t = 1.119 s
15.기어와 기어열

답: n2 = 668.6 rpm

벨트 구동: 미끄러짐이 없으면 두 풀리의 림 속도가 v = π·d·n/60으로 같으므로 n₁·d₁ = n₂·d₂이고 속도비는 d₂/d₁입니다. 미끄러짐 s가 있으면 종동 풀리가 조금 느려집니다: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). 전달 동력은 P = (T₁ − T₂)·v이며, T₁은 긴장측 장력, T₂는 이완측 장력입니다. 마찰이 장력의 비를 제한합니다: T₁/T₂ = eμθ이며, θ는 작은 풀리의 접촉각(라디안)입니다. 평벨트에서는 축간 거리 C에 대해 θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C))입니다.

미끄러짐 없을 때의 속도

1440·150/315 = 685.7 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 685.7·0.975 = 668.6 rpm

답

n2 = 668.6 rpm
16.기어와 기어열

답: nout = 1566 rpm

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.

1단

nB = 2900·12/16 = 2175 rpm = nC

2단

nout = 2175·18/25 = 1566 rpm

답

nout = 1566 rpm

전체 기어비 = 1.852 : 1

17.용수철과 진자

답: v = −0.2054 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 = √(40/1.8) = 4.714 rad/s
ω·t = 4.714·1.4 = 6.6 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.14·4.714·sin(6.6) = −0.2054 m/s

답

v = −0.2054 m/s
18.용수철과 진자

답: E = 0.7 J

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 = √(140/0.8) = 13.23 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·140·0.1² = 0.7 J

답

E = 0.7 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.02999

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 = (1/3)·ln(50/28.4) = 0.1885

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1885/√(39.48 + 0.03555) = 0.02999

답

ζ = 0.02999
20.기계 진동

답: keq = 16.67 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 = 1/25 + 1/50 → keq = 25·50/(25 + 50) = 16.67 kN/m

답

keq = 16.67 kN/m

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