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
경찰a = 2 m/s²자동차32 m/s

일정한 32 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 32 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 1.5 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 1.5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°50 kgF = ?

50 kg 상자를 수평과 30°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 50 kgθ = 30°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg3.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 1.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 3.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
41 my = ?v0​ = 34 m/s30°

평지에서 공을 34 m/s, 수평 위 30°로 41 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 34 m/sθ = 30°x = 41 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 24 m/s60°x = ?

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 60°h = 40 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
L = 0.6 m50°

길이 0.6 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 50°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 0.6 mθ = 50°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 0.7 m8 m/svtop​ = ?

길이 0.7 m의 가벼운 줄에 매단 1.2 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 8 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgr = 0.7 mvbottom = 8 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
60 km/h

평평한 도로를 60 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 60 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 5 mμ = 0.15k = 2000 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 2.5 mL = 5 mμ = 0.15k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1600 kg14 m/s800 kg

14 m/s로 움직이는 1600 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1600 kgv1 = 14 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2000 kg16 m/s1300 kg11 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 16 m/s로 달리던 2000 kg 자동차가 북쪽으로 11 m/s로 달리던 1300 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 2000 kgv1 = 16 m/s (E)m2 = 1300 kgv2 = 11 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1400 rpmTb​ = 75 N·mI = 33.5 kg·m²

관성 모멘트가 33.5 kg·m²인 플라이휠이 1400 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 75 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 33.5 kg·m²n = 1400 rpmTb = 75 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
6.5 m/sω

질량 12 kg의 균일한 구이(가) 6.5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 Ek을(를) 구하시오.

m = 12 kgv = 6.5 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.기어와 기어열보통
N1​ = 24N2​ = 25

2900 rpm으로 도는 1.1 kW 모터가 잇수 24개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 25개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 97%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 1.1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 25η = 97%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 500 mmθ = ?

평벨트가 120 mm 풀리와 400 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 500 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 120 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = 2.8 m

단진자의 길이는 2.8 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 2.8 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
2 kgk = 100 N/m250 m/s

250 m/s로 움직이는 10 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 100 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 10 gv = 250 m/sM = 2 kgk = 100 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
tx12 mm4주기1 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 12 mm 다음 4주기 뒤에 최댓값 1 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 12 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 100m = 100 kg

100 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 5 kN/m, k₂ = 100 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 32 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/2 = 32 s

답

t = 32 s

그 순간 경찰차는 2v = 64 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: d = 10.59 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·(1.5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 514.5 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·514.5))/(2·4.905) = 1.469 s

깊이

d = ½·9.81·1.469² = 10.59 m

답

d = 10.59 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 309 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 = 245.2 + 63.72 = 309 N

답

F = 309 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 6.573 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) = (34.34 − 1.472)/5 = 6.573 m/s²

답

a = 6.573 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 14.16 m

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

벽까지의 시간

vx = 34·cos 30° = 29.44 m/s
t = x/vx = 41/29.44 = 1.392 s

그 시각의 높이

y = 17·1.392 − ½·9.81·1.392² = 14.16 m

답

y = 14.16 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 68.09 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 60° = 12 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 60° = 20.78 m/s

체공 시간

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

0 = 40 + 20.78·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20.78 + √(432 + 784.8))/9.81 = 5.675 s

수평 거리

x = vx·t = 12·5.675 = 68.09 m

답

x = 68.09 m
7.원운동

답: T = 1.246 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 = 0.6·sin 50° = 0.4596 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.4596·9.81·tan 50°) = 2.318 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.4596/2.318 = 1.246 s

답

T = 1.246 s
8.원운동

답: Ttop = 50.85 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 = 8² − 4·9.81·0.7 = 36.53 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.2·36.53/0.7 − 1.2·9.81 = 50.85 N

답

Ttop = 50.85 N
9.일과 에너지

답: d = 17.7 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).

기본 단위의 속력

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16.67²/(2·0.8·9.81) = 17.7 m

답

d = 17.7 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 29.3 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 = 49.05·(2.5 − 0.15·5) = 85.84 J

최대 압축량

½kx² = 85.84 → x = √(2·85.84/2000) = 0.293 m = 29.3 cm

답

x = 29.3 cm
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 52267 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) = 1600·14/2400 = 9.333 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1600·14² = 156800 J
Kafter = ½·2400·9.333² = 104533 J

잃은 에너지

ΔK = 156800 − 104533 = 52267 J

답

ΔK = 52267 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 10.62 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 = 2000·16 = 32000 kg·m/s
py = 1300·11 = 14300 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 35050/3300 = 10.62 m/s

답

v′ = 10.62 m/s
13.강체의 회전

답: t = 65.48 s

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·1400/60 = 146.6 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 75/33.5 = 2.239 rad/s²
t = ω/α = 146.6/2.239 = 65.48 s

답

t = 65.48 s
14.강체의 회전

답: Ek = 354.9 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 = ½·12·6.5² = 253.5 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·253.5 = 101.4 J

합계

Ek = 253.5 + 101.4 = 354.9 J

답

Ek = 354.9 J
15.기어와 기어열

답: T2 = 3.66 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303.7 = 3.622 N·m

출력 토크

T2 = 3.622·25/24·0.97 = 3.66 N·m

답

T2 = 3.66 N·m
16.기어와 기어열

답: θ = 147.5 °

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.

벨트 각도

asin(0.28) = 16.26°

접촉각

θ = 180 − 2·16.26 = 147.5°

답

θ = 147.5°
17.용수철과 진자

답: T = 3.357 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(2.8/9.81) = 3.357 s

답

T = 3.357 s
18.용수철과 진자

답: A = 17.63 cm

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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.01·250/2.01 = 1.244 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(100/2.01) = 7.053 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.244/7.053 = 0.1763 m = 17.63 cm

답

A = 17.63 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.09839

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 = (1/4)·ln(12/1) = 0.6212

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6212/√(39.48 + 0.3859) = 0.09839

답

ζ = 0.09839
20.기계 진동

답: keq = 105 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

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

keq = 5 + 100 = 105 kN/m

답

keq = 105 kN/m

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