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 = 2.5 m/s²자동차15 m/s

일정한 15 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 15 m/sapolice = 2.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 18 m/s30 m

지면에서 30 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 18 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 = 18 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°5 kgF = ?

5 kg 상자를 수평과 20°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg3 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 6 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 3 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 10 m/s20°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 20 m/s20°x = ?

공을 높이 50 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 20°h = 50 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 55 m14 m/s

800 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 14 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 55 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 800 kgv = 14 m/sr = 55 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
R = 1 mh = 4.1 m

0.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 4.1 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 1 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 4.1 mR = 1 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
30°d = 17 mμ = 0.35

질량 1 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 17 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 30°μ = 0.35d = 17 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 20 N25°μ = 0.22 kg

2 kg 블록이 25° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 20 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. 블록이 경사면을 따라 2 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 20 Nθ = 25°μ = 0.2d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
5 kg6 m/s1.5 kg

6 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 1.5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
30 m/s17 m/s

질량 0.5 kg인 공이 30 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 17 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgvin = 30 m/svout = 17 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
L = 2.8 mm = 5 kgα

질량 5 kg, 길이 2.8 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후의 각가속도 α을(를) 구하시오.

m = 5 kgL = 2.8 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.강체의 회전어려움
θ = 30°a

균일한 구이(가) 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미끄러지지 않기 위한 최소 정지 마찰 계수 μs을(를) 구하시오.

θ = 30°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
μs =
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20N2​ = 45

2900 rpm으로 도는 5.5 kW 모터가 잇수 20개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 45개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 96%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 5.5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 45η = 96%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 24B = 45C = 36D = 72

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 24개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 45개)를 구동한다. 기어 C(잇수 36개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 72개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 24B = 45C = 36D = 72
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
3.1 kgk = 60 N/mA = 8 cmx = 5 cm

k = 60 N/m인 스프링에 매단 3.1 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 8 cm로 진동한다. 평형점에서 5 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 3.1 kgk = 60 N/mA = 8 cmx = 5 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
mk = 420 N/mA = 10 cmx = 6 cm

k = 420 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 10 cm로 진동한다. 평형점에서 6 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 420 N/mA = 10 cmx = 6 cm
K = J
19.기계 진동보통
k = 40 kN/mζ = 0.45m = 8 kg

강성 40 kN/m인 스프링에 달린 8 kg 질량에 감쇠비 0.45을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 8 kgk = 40 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 30m = 20 kg

20 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 30 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 12 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 = 2·15/2.5 = 12 s

답

t = 12 s

그 순간 경찰차는 2v = 30 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 4.914 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 = 18·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 18·t − 30 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (18 + √(18² + 2·9.81·30))/9.81 = 4.914 s

답

t = 4.914 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 30.6 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 = 16.78 + 13.83 = 30.6 N

답

F = 30.6 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.308 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) = (29.43 − 17.66)/9 = 1.308 m/s²

답

a = 1.308 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 0.6973 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 = 10·cos 20° = 9.397 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 20° = 3.42 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·3.42/9.81 = 0.6973 s

답

t = 0.6973 s
6.포물선 운동

답: x = 74.52 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 = 20·cos 20° = 18.79 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 20° = 6.84 m/s

체공 시간

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

0 = 50 + 6.84·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6.84 + √(46.79 + 981))/9.81 = 3.965 s

수평 거리

x = vx·t = 18.79·3.965 = 74.52 m

답

x = 74.52 m
7.원운동

답: N = 4997 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 = 800·9.81 − 800·14²/55 = 7848 − 2851 = 4997 N

답

N = 4997 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: Nbottom = 45.13 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 = 2·9.81·4.1 = 80.44 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 0.5·80.44/1 + 4.905 = 45.13 N

답

Nbottom = 45.13 N
9.일과 에너지

답: Wf = 50.55 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 = 9.81·0.866 = 8.496 N
F = μN = 0.35·8.496 = 2.973 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 2.973·17 = 50.55 J

답

Wf = 50.55 J
10.일과 에너지

답: v = 4.038 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 = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 8.292 N
μ·mg·cos θ = 3.556 N

일–에너지

½mv² = (20 − 11.85)·2 = 16.3 J
v = √(2·16.3/2) = 4.038 m/s

답

v = 4.038 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 9.231 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 = (5 − 1.5)/(5 + 1.5)·6 = 3.231 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1.5)·6 = 9.231 m/s

답

v′2 = 9.231 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 23.5 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 = 0.5·(17 + 30) = 23.5 N·s

답

J = 23.5 N·s
13.강체의 회전

답: α = 5.255 rad/s²

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/(2·2.8) = 5.255 rad/s²

답

α = 5.255 rad/s²
14.강체의 회전

답: μs = 0.165

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 30°/1.4 = 3.504 m/s²

필요한 마찰

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0.4·tan 30°/1.4 = 0.165

답

μs = 0.165
15.기어와 기어열

답: T2 = 39.12 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 = 5500/303.7 = 18.11 N·m

출력 토크

T2 = 18.11·45/20·0.96 = 39.12 N·m

답

T2 = 39.12 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 400 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 = 1500·24/45 = 800 rpm = nC

2단

nout = 800·36/72 = 400 rpm

답

nout = 400 rpm

전체 기어비 = 3.75 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.2747 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 = √(60/3.1) = 4.399 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 4.399·√(0.08² − 0.05²) = 0.2747 m/s

답

v = 0.2747 m/s
18.용수철과 진자

답: K = 1.344 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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·420·0.1² = 2.1 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·420·0.06² = 0.756 J

운동 에너지

K = 2.1 − 0.756 = 1.344 J

답

K = 1.344 J
19.기계 진동

답: fd = 10.05 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 = √(40000/8) = 70.71 rad/s
fn = 70.71/(2π) = 11.25 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11.25·√(1 − 0.45²) = 10.05 Hz

답

fd = 10.05 Hz
20.기계 진동

답: fn = 8.346 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

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

keq = 25 + 30 = 55 kN/m

고유 진동수

ωn = √(55000/20) = 52.44 rad/s
fn = 52.44/(2π) = 8.346 Hz

답

fn = 8.346 Hz

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