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)0.5 s27.78

100 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.5 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/htr = 0.5 sa = −7 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 8 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 4 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 4 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 5.4 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 4 m/sd = 5.4 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
2 kg10 kgTF = 55 Nμ = 0.1

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 55 N이 앞쪽의 10 kg 블록을 끌고, 2 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 10 kgF = 55 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?65°R = 140 m

평지에서 공을 수평 위 65°로 발사하자 140 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 65°R = 140 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
5 mv0​ = 24 m/s30°x = ?

지면에서 공을 24 m/s, 수평 위 30°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 5 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 24 m/sθ = 30°hroof = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 85 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 85 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 = 85 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 7.5 mh = 25.5 m

1.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 25.5 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 7.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgh = 25.5 mR = 7.5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
20°L = 1.5 m2 kg

2 kg 공이 길이 1.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 20°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 1.5 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 2 mμ = 0.25k = 4000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 3 mL = 2 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
5 kgv = ?5 gh = 14 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 14 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 5 kgh = 14 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kg15 m/s1500 kg21 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 15 m/s로 달리던 900 kg 자동차가 북쪽으로 21 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgv1 = 15 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 21 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
L = 0.5 mm = 1.5 kgα

질량 1.5 kg, 길이 0.5 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후 핀이 막대에 가하는 수직 힘 R을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgL = 0.5 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.강체의 회전어려움
θ = 15°vs = 2.5 m

속 빈 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 15°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 = 15°s = 2.5 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 2, 1440 rpm

1440 rpm의 3 kW 모터가 줄 수 2인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 48개이고 구동 장치의 효율은 50%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 2Nw = 48n = 1440 rpmP = 3 kWη = 50%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 32C = 15D = 30

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 30개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 32개)를 구동한다. 기어 C(잇수 15개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 30개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1440 rpmA = 30B = 32C = 15D = 30
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.9 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
2 kgk = 140 N/mA = 3 cm

k = 140 N/m인 용수철에 매단 2 kg 물체를 평형 위치에서 3 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 140 N/mA = 3 cm
E = J
19.기계 진동보통
k = 80 kN/mc = 2770 N·s/mm = 150 kg

150 kg 질량이 강성 80 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 2770 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 150 kgk = 80 kN/mc = 2770 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 50k3​ = 15m = 25 kg

25 kg 질량이 스프링 k₃ = 15 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 15 kN/m, k₂ = 50 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 69 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 27.78·0.5 = 13.89 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·7) = 55.11 m

합계

d = 13.89 + 55.11 = 69 m

답

d = 69 m
2.운동학

답: t = 2.113 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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−5 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·5))/9.81 = 2.113 s

답

t = 2.113 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.151

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) = 4²/(2·5.4) = 1.481 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.481/9.81 = 0.151

답

μ = 0.151
4.뉴턴 법칙

답: T = 9.167 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (55 − 11.77)/12 = 3.602 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 2·(3.602 + 0.981) = 9.167 N

답

T = 9.167 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: v0 = 42.34 m/s

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

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·140/sin 130°) = 42.34 m/s

답

v0 = 42.34 m/s
6.포물선 운동

답: x = 39.78 m

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

초기 속도 분해

vx = 20.78 m/s, vy = 12 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

5 = 12·t − 4.905·t²
t = (12 + √(12² − 2·9.81·5))/9.81 = 1.914 s

수평 거리

x = vx·t = 20.78·1.914 = 39.78 m

답

x = 39.78 m
7.원운동

답: vmax = 18.26 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) = √(0.4·9.81·85) = 18.26 m/s

답

vmax = 18.26 m/s (65.75 km/h)
8.원운동

답: Ntop = 26.49 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.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·(25.5 − 2·7.5) = 206 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 1.5·206/7.5 − 14.71 = 26.49 N

답

Ntop = 26.49 N
9.일과 에너지

답: T = 21.99 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 20°) = 1.775 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·1.775/1.5 = 21.99 N

답

T = 21.99 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 21.99 N.

10.일과 에너지

답: x = 15.66 cm

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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 19.62·(3 − 0.25·2) = 49.05 J

최대 압축량

½kx² = 49.05 → x = √(2·49.05/4000) = 0.1566 m = 15.66 cm

답

x = 15.66 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 1659 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 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.14) = 1.657 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 5)·1.657/0.005 = 1659 m/s

답

v = 1659 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 14.28 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.

운동량 성분

px = 900·15 = 13500 kg·m/s
py = 1500·21 = 31500 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 34271/2400 = 14.28 m/s

답

v′ = 14.28 m/s
13.강체의 회전

답: R = 3.679 N

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/(2·0.5) = 29.43 rad/s²

수직 방향의 힘

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 1.5·(9.81 − 7.357) = 3.679 N

답

R = 3.679 N

R = m·g/4이며 길이와 무관합니다.

14.강체의 회전

답: v = 2.76 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 15° = 0.647 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.6667)
v = √(2·9.81·0.647/1.667) = 2.76 m/s

답

v = 2.76 m/s
15.기어와 기어열

답: Tw = 238.7 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 1440·2/48 = 60 rpm

출력 토크

ωw = 2π·60/60 = 6.283 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.5·3000/6.283 = 238.7 N·m

답

Tw = 238.7 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 675 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 = 1440·30/32 = 1350 rpm = nC

2단

nout = 1350·15/30 = 675 rpm

답

nout = 675 rpm

전체 기어비 = 2.133 : 1

17.용수철과 진자

답: L = 0.897 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.9/2π)² = 0.897 m

답

L = 0.897 m
18.용수철과 진자

답: E = 0.063 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 = √(140/2) = 8.367 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·140·0.03² = 0.063 J

답

E = 0.063 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.3998

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.

임계 감쇠

cc = 2·√(k·m) = 2·√(80000·150) = 6928 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 2770/6928 = 0.3998

답

ζ = 0.3998

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 3.514 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

k1과 k2만 병렬입니다. 그 쌍이 k3와 직렬이므로 역수로 합성하세요.

k12 = 15 + 50 = 65 kN/m
keq = 65·15/(65 + 15) = 12.19 kN/m

고유 진동수

ωn = √(12188/25) = 22.08 rad/s
fn = 22.08/(2π) = 3.514 Hz

답

fn = 3.514 Hz

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