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 s30

108 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.2 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/htr = 1.2 sa = −5.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 34 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 34 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 34 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 2 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 2 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 2 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 2 m/sd = 2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3.5 kg5 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 3.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 5 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/s25°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 27 m/s60°H = ?

60 m 절벽 꼭대기에서 공을 27 m/s, 수평 위 60°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 27 m/sθ = 60°h = 60 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 45 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 45 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 45 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 10°중심 방향vmin​ = ?

반지름 180 m인 커브가 10° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 180 mθ = 10°μs = 0.1g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
40°d = 8 mμ = 0.4

블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. 경사면을 따라 8 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°μ = 0.4d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
k = 5000 N/m20°μ = 0.25 kg

20° 경사면 아래에 있는 강성 5000 N/m인 스프링을 5 kg 블록으로 10 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. 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 = 5 kgk = 5000 N/mx = 10 cmθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1900 kg8 m/s1200 kg

8 m/s로 움직이는 1900 kg 자동차가 정지해 있는 1200 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1900 kgv1 = 8 m/sm2 = 1200 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
4.5 kgv = ?5 g15°L = 0.5 m

5 g 총알을 길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 15°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4.5 kgL = 0.5 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
L = 1.8 mm = 16.5 kgα

질량 16.5 kg, 길이 1.8 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후의 각가속도 α을(를) 구하시오.

m = 16.5 kgL = 1.8 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.강체의 회전어려움
θ = 40°vs = 2.5 m

균일한 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 40°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 2.5 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°s = 2.5 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 36N2​ = 40

960 rpm으로 도는 11 kW 모터가 잇수 36개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 40개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 96%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 36N2 = 40η = 96%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 18C = 45D = 48

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 12개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 18개)를 구동한다. 기어 C(잇수 45개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 48개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1440 rpmA = 12B = 18C = 45D = 48
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 1.7 mT = 2.75 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.7 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.75 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.7 mT = 2.75 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
mk = 100 N/mA = 20 cmx = 7 cm

k = 100 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 20 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 100 N/mA = 20 cmx = 7 cm
U = J
19.기계 진동보통
tx40 mm1주기24.2 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 40 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 24.2 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 40 mmx1 = 24.2 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 25m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 60 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 25 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 117.8 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 = 108/3.6 = 30 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 30·1.2 = 36 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·5.5) = 81.82 m

합계

d = 36 + 81.82 = 117.8 m

답

d = 117.8 m
2.운동학

답: t = 25.2 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.

동력 비행 단계

v₁ = 34·3 = 102 m/s
h₁ = ½·34·3² = 153 m

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (102 + √(102² + 2·9.81·153))/9.81 = 22.2 s
t = 3 + 22.2 = 25.2 s

답

t = 25.2 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1019

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

a = v₀²/(2d) = 2²/(2·2) = 1 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1/9.81 = 0.1019

답

μ = 0.1019
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.009 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 49.05 N
m₁·g·sin θ = 11.74 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.226 N

계의 가속도

a = (49.05 − 11.74 − 3.226)/8.5 = 4.009 m/s²

답

a = 4.009 m/s²
5.포물선 운동

답: H = 5.243 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 = 24·cos 25° = 21.75 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 25° = 10.14 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 10.14²/(2·9.81) = 5.243 m

답

H = 5.243 m
6.포물선 운동

답: H = 87.87 m

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

처음 수직 속력

vy = 27·sin 60° = 23.38 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 23.38²/(2·9.81) = 27.87 m

지면으로부터의 높이

H = 60 + 27.87 = 87.87 m

답

H = 87.87 m
7.원운동

답: vmax = 13.29 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.

마찰력이 구심력을 제공한다

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.4·9.81·45) = 13.29 m/s

답

vmax = 13.29 m/s (47.84 km/h)
8.원운동

답: vmin = 11.51 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 위를 향합니다.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(180·9.81·0.07517/1.002) = 11.51 m/s

답

vmin = 11.51 m/s
(41.43 km/h)
9.일과 에너지

답: v = 7.266 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·(0.6428 − 0.4·0.766)) = 7.266 m/s

답

v = 7.266 m/s
10.일과 에너지

답: d = 0.9617 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 = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·5000·0.1² = 25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 25/(49.05·(0.342 + 0.2·0.9397)) = 0.9617 m

답

d = 0.9617 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 23535 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) = 1900·8/3100 = 4.903 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1900·8² = 60800 J
Kafter = ½·3100·4.903² = 37265 J

잃은 에너지

ΔK = 60800 − 37265 = 23535 J

답

ΔK = 23535 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 520.9 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 0.5·(1 − cos 15°) = 0.01704 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.01704) = 0.5782 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.505·0.5782/0.005 = 520.9 m/s

답

v = 520.9 m/s
13.강체의 회전

답: α = 8.175 rad/s²

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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.8) = 8.175 rad/s²

답

α = 8.175 rad/s²
14.강체의 회전

답: v = 4.746 m/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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 2.5·sin 40° = 1.607 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·1.607/1.4) = 4.746 m/s

답

v = 4.746 m/s
15.기어와 기어열

답: T2 = 116.7 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 = 109.4·40/36·0.96 = 116.7 N·m

답

T2 = 116.7 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 900 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 = 1440·12/18 = 960 rpm = nC

2단

nout = 960·45/48 = 900 rpm

답

nout = 900 rpm

전체 기어비 = 1.6 : 1

17.용수철과 진자

답: g = 8.874 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 = 4π²·1.7/2.75² = 8.874 m/s²

답

g = 8.874 m/s²
18.용수철과 진자

답: U = 0.245 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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·100·0.2² = 2 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·100·0.07² = 0.245 J

답

U = 0.245 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.07973

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 = (1/1)·ln(40/24.2) = 0.5025

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5025/√(39.48 + 0.2525) = 0.07973

답

ζ = 0.07973
20.기계 진동

답: fn = 4.228 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

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

1/keq = 1/60 + 1/25 → keq = 60·25/(60 + 25) = 17.65 kN/m

고유 진동수

ωn = √(17647/25) = 26.57 rad/s
fn = 26.57/(2π) = 4.228 Hz

답

fn = 4.228 Hz

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