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)4.167 s25

90 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 5 m/s30 m

지면에서 30 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 = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
6.5 kg6 kg

6.5 kg과 6 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6.5 kgm2 = 6 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg4 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 9 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 4 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
12 my = ?v0​ = 16 m/s20°

평지에서 공을 16 m/s, 수평 위 20°로 12 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 16 m/sθ = 20°x = 12 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 34 m/s45°H = ?

50 m 절벽 꼭대기에서 공을 34 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 34 m/sθ = 45°h = 50 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 95 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 95 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 95 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 4.5 mh = 21.6 m

3.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 21.6 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 4.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgh = 21.6 mR = 4.5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
40°d = 8 mμ = 0.4

질량 5 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 8 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.4이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 40°μ = 0.4d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
k = 800 N/m25°μ = 0.25 kg

25° 경사면 아래에 있는 강성 800 N/m인 스프링을 5 kg 블록으로 15 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 = 800 N/mx = 15 cmθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1900 kg24 m/s1100 kg

24 m/s로 움직이는 1900 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1900 kgv1 = 24 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
19 m/s7 m/s

질량 0.55 kg인 공이 19 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 7 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.55 kgvin = 19 m/svout = 7 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 1200 rpmP = 30.5 kW

축이 1200 rpm에서 30.5 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 30.5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
1.5 m/sω

질량 8.5 kg의 속 빈 구이(가) 1.5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 8.5 kgv = 1.5 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
N1​ = ?N2​

두 평행축이 56.25 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 2.5 mm, 감속비 2 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 피니언의 잇수 N1은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 56.25 mmm = 2.5 mmi = 2
N1 =
16.기어와 기어열어려움
A = 15B = 80C = 24D = 45

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 15개)가 3000 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 24개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 45개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 3000 rpmA = 15B = 80C = 24D = 45
nout = rpm
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
3.4 kgk = 40 N/mA = 14 cm

k = 40 N/m인 용수철에 매단 3.4 kg 물체를 평형 위치에서 14 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.4 kgk = 40 N/mA = 14 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 12 kN/mζ = 0.3m = 20 kg

강성 12 kN/m인 스프링에 달린 20 kg 질량에 감쇠비 0.3을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk = 12 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 20m = 20 kg

20 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 20 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 52.08 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 = 90/3.6 = 25 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·6) = 52.08 m

답

s = 52.08 m
2.운동학

답: t = 3.035 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.

−30 = 5·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 5·t − 30 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (5 + √(5² + 2·9.81·30))/9.81 = 3.035 s

답

t = 3.035 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 0.3924 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (6.5 − 6)·9.81/(6.5 + 6) = 0.3924 m/s²

답

a = 0.3924 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 27.17 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (39.24 − 0)/13 = 3.018 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·3.018 + 0 = 27.17 N

답

T = 27.17 N
5.포물선 운동

답: y = 1.243 m

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

벽까지의 시간

vx = 16·cos 20° = 15.04 m/s
t = x/vx = 12/15.04 = 0.7981 s

그 시각의 높이

y = 5.472·0.7981 − ½·9.81·0.7981² = 1.243 m

답

y = 1.243 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: H = 79.46 m

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

처음 수직 속력

vy = 34·sin 45° = 24.04 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 24.04²/(2·9.81) = 29.46 m

지면으로부터의 높이

H = 50 + 29.46 = 79.46 m

답

H = 79.46 m
7.원운동

답: vmax = 16.72 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) = √(0.3·9.81·95) = 16.72 m/s

답

vmax = 16.72 m/s (60.19 km/h)
8.원운동

답: Ntop = 157.9 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·(21.6 − 2·4.5) = 247.2 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 3.5·247.2/4.5 − 34.34 = 157.9 N

답

Ntop = 157.9 N
9.일과 에너지

답: Wf = 120.2 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 = 49.05·0.766 = 37.57 N
F = μN = 0.4·37.57 = 15.03 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 15.03·8 = 120.2 J

답

Wf = 120.2 J
10.일과 에너지

답: d = 0.3038 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 = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·800·0.15² = 9 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(49.05·(0.4226 + 0.2·0.9063)) = 0.3038 m

답

d = 0.3038 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 200640 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) = 1900·24/3000 = 15.2 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1900·24² = 547200 J
Kafter = ½·3000·15.2² = 346560 J

잃은 에너지

ΔK = 547200 − 346560 = 200640 J

답

ΔK = 200640 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: J = 14.3 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 = 0.55·(7 + 19) = 14.3 N·s

답

J = 14.3 N·s
13.강체의 회전

답: T = 242.7 N·m

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·1200/60 = 125.7 rad/s

토크

T = P/ω = 30500/125.7 = 242.7 N·m

답

T = 242.7 N·m
14.강체의 회전

답: p = 40 %

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 = ½·8.5·1.5² = 9.563 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·9.563 = 6.375 J

회전 비율

p = 6.375/15.94·100% = c/(1 + c)·100% = 40%

답

p = 40 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: N1 = 15

기어의 기하: 모듈 m이 이의 크기를 정합니다. 잇수 N인 기어의 피치원 지름은 d = m·N이고, 맞물리는 두 기어는 모듈이 같으며, 중심 거리는 a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2입니다. 피치원 속도는 v = π·d·n/60이고, 접선 방향 치면력은 토크에서 나옵니다: Ft = 2T/d.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·56.25/2.5 = 45

비율로 나누기

N1 = 45/(1 + 2) = 15

답

N1 = 15
16.기어와 기어열

답: nout = 300 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 = 3000·15/80 = 562.5 rpm = nC

2단

nout = 562.5·24/45 = 300 rpm

답

nout = 300 rpm

전체 기어비 = 10 : 1

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 = 0.4802 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 = √(40/3.4) = 3.43 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.14·3.43 = 0.4802 m/s

답

vmax = 0.4802 m/s
19.기계 진동

답: fd = 3.719 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 = √(12000/20) = 24.49 rad/s
fn = 24.49/(2π) = 3.898 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3.898·√(1 − 0.3²) = 3.719 Hz

답

fd = 3.719 Hz
20.기계 진동

답: keq = 45 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 = 25 + 20 = 45 kN/m

답

keq = 45 kN/m

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