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)8.333 s33.33

120 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 15 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 15 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 15 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 15 kg

질량 15 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8.5 kg8.5 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 8.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8.5 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 = 8.5 kgm2 = 8.5 kgθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
69 my = ?v0​ = 32 m/s35°

평지에서 공을 32 m/s, 수평 위 35°로 69 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 32 m/sθ = 35°x = 69 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 17 m/s40°x = ?

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 17 m/sθ = 40°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 120 m8 m/s

900 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 8 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 120 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 900 kgv = 8 m/sr = 120 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 1.5 m9 m/svtop​ = ?

길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매단 1.5 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgr = 1.5 mvbottom = 9 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
40°d = 13 mμ = 0.15

질량 4 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 13 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.15이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 40°μ = 0.15d = 13 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 30 N20°μ = 0.155 kg

5 kg 블록이 20° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 30 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 5 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgF = 30 Nθ = 20°μ = 0.15d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2 kg69 m/s10 kgv′2​ = ?

수평으로 20 m/s로 움직이던 12 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 2 kg 파편은 69 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 10 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 12 kgu = 20 m/sm1 = 2 kgv′1 = 69 m/sm2 = 10 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?10 g40°L = 1.3 m

10 g 총알을 길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 2.5 kgL = 1.3 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
L = 0.9 mm = 6.5 kgα

질량 6.5 kg, 길이 0.9 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 = 6.5 kgL = 0.9 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.강체의 회전어려움
θ = 15°a

균일한 구이(가) 수평면과 15°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 중심의 가속도 a을(를) 구하시오.

θ = 15°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.기어와 기어열보통
N1​ = 48N2​ = 80

1500 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 48개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 80개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 96%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 48N2 = 80η = 96%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 40B = 48C = 24D = 72

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 40개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 48개)를 구동한다. 기어 C(잇수 24개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 72개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 40B = 48C = 24D = 72
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.95 s

k = 130 N/m인 스프링에 매단 3.4 kg 질량을 양의 방향으로 12 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.95 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.4 kgk = 130 N/mA = 12 cmt = 0.95 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
3.5 kgk = 40 N/mA = 14 cm

k = 40 N/m인 용수철에 매단 3.5 kg 물체를 평형 위치에서 14 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgk = 40 N/mA = 14 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 12 kN/mζ = 0.3m = 15 kg

강성 12 kN/m인 스프링에 달린 15 kg 질량에 감쇠비 0.3을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 5k3​ = 12m = 20 kg

20 kg 질량이 스프링 k₃ = 12 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 50 kN/m, k₂ = 5 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 50 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 138.9 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·4) = 138.9 m

답

s = 138.9 m
2.운동학

답: hmax = 36.47 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 15²/(2·9.81) = 11.47 m

지면으로부터의 높이

hmax = 25 + 11.47 = 36.47 m

답

hmax = 36.47 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 6.306 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·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0) = 6.306 m/s²

답

a = 6.306 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.376 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 = 83.39 N
m₁·g·sin θ = 53.6 N
μ·m₁·g·cos θ = 6.388 N

계의 가속도

a = (83.39 − 53.6 − 6.388)/17 = 1.376 m/s²

답

a = 1.376 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 14.33 m

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

벽까지의 시간

vx = 32·cos 35° = 26.21 m/s
t = x/vx = 69/26.21 = 2.632 s

그 시각의 높이

y = 18.35·2.632 − ½·9.81·2.632² = 14.33 m

답

y = 14.33 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 34.08 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 = 17·cos 40° = 13.02 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 40° = 10.93 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 10.93·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10.93 + √(119.4 + 98.1))/9.81 = 2.617 s

수평 거리

x = vx·t = 13.02·2.617 = 34.08 m

답

x = 34.08 m
7.원운동

답: N = 8349 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 = 900·9.81 − 900·8²/120 = 8829 − 480 = 8349 N

답

N = 8349 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: Ttop = 7.425 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 = 9² − 4·9.81·1.5 = 22.14 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.5·22.14/1.5 − 1.5·9.81 = 7.425 N

답

Ttop = 7.425 N
9.일과 에너지

답: Wf = 58.62 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 39.24·0.766 = 30.06 N
F = μN = 0.15·30.06 = 4.509 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 4.509·13 = 58.62 J

답

Wf = 58.62 J
10.일과 에너지

답: v = 3.552 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 = 16.78 N
μ·mg·cos θ = 6.914 N

일–에너지

½mv² = (30 − 23.69)·5 = 31.55 J
v = √(2·31.55/5) = 3.552 m/s

답

v = 3.552 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 10.2 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 전 운동량

p = M·u = 12·20 = 240 kg·m/s

충돌 후 운동량

240 = 2·69 + 10·v′2
v′2 = (240 − 138)/10 = 10.2 m/s

답

v′2 = 10.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 613.1 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) = 1.3·(1 − cos 40°) = 0.3041 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.3041) = 2.443 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.51·2.443/0.01 = 613.1 m/s

답

v = 613.1 m/s
13.강체의 회전

답: R = 15.94 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/(2·0.9) = 16.35 rad/s²

수직 방향의 힘

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 6.5·(9.81 − 7.357) = 15.94 N

답

R = 15.94 N

R = m·g/4이며 길이와 무관합니다.

14.강체의 회전

답: a = 1.814 m/s²

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 15°/1.4 = 1.814 m/s²

답

a = 1.814 m/s²
15.기어와 기어열

답: T2 = 15.28 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/157.1 = 9.549 N·m

출력 토크

T2 = 9.549·80/48·0.96 = 15.28 N·m

답

T2 = 15.28 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 266.7 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 = 960·40/48 = 800 rpm = nC

2단

nout = 800·24/72 = 266.7 rpm

답

nout = 266.7 rpm

전체 기어비 = 3.6 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 11.01 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.

각주파수

ω = √(130/3.4) = 6.183 rad/s
ω·t = 6.183·0.95 = 5.874 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 12·cos(5.874) = 11.01 cm

답

x = 11.01 cm
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.4733 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 = √(40/3.5) = 3.381 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.14·3.381 = 0.4733 m/s

답

vmax = 0.4733 m/s
19.기계 진동

답: fd = 4.294 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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(12000/15) = 28.28 rad/s
fn = 28.28/(2π) = 4.502 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4.502·√(1 − 0.3²) = 4.294 Hz

답

fd = 4.294 Hz
20.기계 진동

답: fn = 3.532 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 = 50 + 5 = 55 kN/m
keq = 55·12/(55 + 12) = 9.851 kN/m

고유 진동수

ωn = √(9851/20) = 22.19 rad/s
fn = 22.19/(2π) = 3.532 Hz

답

fn = 3.532 Hz

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