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 = ?27.78

100 km/h로 달리던 자동차가 4.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 5 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 5 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 = 5 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 9 kg

질량 9 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 9 kgθ = 40°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 10.5 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 10.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 10.5 m/sθ = 15°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s35°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 28 m/s45°수평 도달 거리

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 28 m/sθ = 45°h = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 70 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 70 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 70 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 25°중심 방향vmin​ = ?

반지름 230 m인 커브가 25° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 230 mθ = 25°μs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
0.05 kgk = 2000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 2000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.05 kg 공을 올려놓고 스프링을 2 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.05 kgk = 2000 N/mx = 2 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 3 mμ = 0.15k = 4000 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 1.5 mL = 3 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
3.5 kg3 m/s4.5 kg

3 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
11 m/s19 m/s

질량 0.6 kg인 공이 11 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 19 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 11 m/svout = 19 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 3000 rpmT = 1380 N·m

모터가 3000 rpm에서 1380 N·m의 토크를 낸다. 출력 P을(를) kW로 구하시오.

T = 1380 N·mn = 3000 rpm
P = kW
14.강체의 회전어려움
10 m/sω

질량 13.5 kg의 균일한 구이(가) 10 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 13.5 kgv = 10 m/sI = (2/5)·m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm1450 rpmn2​ = ?

200 mm 풀리가 1450 rpm으로 돌며 미끄러짐 2 %인 벨트로 450 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 1450 rpmd1 = 200 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 50B = 80C = 16D = 30

2900 rpm의 4 kW 모터가 기어 A(잇수 50개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 80개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 16개)는 출력축의 기어 D(잇수 30개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 97%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 4 kWnin = 2900 rpmA = 50B = 80C = 16D = 30ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
L = 0.6 mT = 3.82 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.6 m인 단진자의 작은 진동 주기가 3.82 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.6 mT = 3.82 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
3.7 kgk = 330 N/mA = 18 cm

k = 330 N/m인 용수철에 매단 3.7 kg 물체를 평형 위치에서 18 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 330 N/mA = 18 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx12 mm5주기6.4 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 12 mm 다음 5주기 뒤에 최댓값 6.4 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 12 mmx5 = 6.4 mmn = 5
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 5m = 40 kg

40 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 25 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 5 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 6.173 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27.78/4.5 = 6.173 s

답

t = 6.173 s
2.운동학

답: t = 3.229 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.

−35 = 5·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 5·t − 35 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (5 + √(5² + 2·9.81·35))/9.81 = 3.229 s

답

t = 3.229 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.427 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 40° − 0.25·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1915) = 4.427 m/s²

답

a = 4.427 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 12.43 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 15° + 0.2·cos 15°) = 4.434 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 10.5²/(2·4.434) = 12.43 m

답

d = 12.43 m
5.포물선 운동

답: H = 11.34 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 = 26·cos 35° = 21.3 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 35° = 14.91 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 14.91²/(2·9.81) = 11.34 m

답

H = 11.34 m
6.포물선 운동

답: t = 4.491 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 = 28·cos 45° = 19.8 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 45° = 19.8 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 19.8·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19.8 + √(392 + 196.2))/9.81 = 4.491 s

답

t = 4.491 s
7.원운동

답: vmax = 18.53 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) = √(0.5·9.81·70) = 18.53 m/s

답

vmax = 18.53 m/s (66.71 km/h)
8.원운동

답: vmin = 18.14 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 = √(230·9.81·0.1507/1.033) = 18.14 m/s

답

vmin = 18.14 m/s
(65.32 km/h)
9.일과 에너지

답: h = 0.8155 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 = 2 cm = 0.02 m
½kx² = ½·2000·0.02² = 0.4 J

높이

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.4/0.4905 = 0.8155 m

답

h = 0.8155 m
10.일과 에너지

답: v = 4.539 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 49.05·(1.5 − 0.15·3) = 51.5 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.05) = 4.539 m/s

답

v = 4.539 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 2.625 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 = (3.5 − 4.5)/(3.5 + 4.5)·3 = −0.375 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 4.5)·3 = 2.625 m/s

답

v′2 = 2.625 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 18 N·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 변화

J = m·Δv = 0.6·(19 + 11) = 18 N·s

답

J = 18 N·s
13.강체의 회전

답: P = 433.5 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·3000/60 = 314.2 rad/s

전력

P = T·ω = 1380·314.2 = 433540 W = 433.5 kW

답

P = 433.5 kW
14.강체의 회전

답: p = 28.57 %

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 = ½·13.5·10² = 675 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·675 = 270 J

회전 비율

p = 270/945·100% = c/(1 + c)·100% = 28.57%

답

p = 28.57 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: n2 = 631.6 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

1450·200/450 = 644.4 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 644.4·0.98 = 631.6 rpm

답

n2 = 631.6 rpm
16.기어와 기어열

답: Tout = 37.18 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 = 2900·(50/80)·(16/30) = 966.7 rpm
ωout = 2π·966.7/60 = 101.2 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 4000·0.97² = 3764 W
Tout = Pout/ωout = 3764/101.2 = 37.18 N·m

답

Tout = 37.18 N·m
17.용수철과 진자

답: g = 1.623 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 = 4π²·0.6/3.82² = 1.623 m/s²

답

g = 1.623 m/s²
18.용수철과 진자

답: vmax = 1.7 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 = √(330/3.7) = 9.444 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.18·9.444 = 1.7 m/s

답

vmax = 1.7 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.02001

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 = (1/5)·ln(12/6.4) = 0.1257

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1257/√(39.48 + 0.01581) = 0.02001

답

ζ = 0.02001
20.기계 진동

답: fn = 1.624 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 = 1/25 + 1/5 → keq = 25·5/(25 + 5) = 4.167 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4167/40) = 10.21 rad/s
fn = 10.21/(2π) = 1.624 Hz

답

fn = 1.624 Hz

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