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)4.444 s22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 10 m/s30 m

지면에서 30 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 10 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 15 kg

질량 15 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4 kg1.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 4 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 1.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/sθ = ?R = 20 m

평지에서 공을 20 m/s로 발사해 20 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 20 m/sR = 20 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 16 m/s45°α = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 16 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 16 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
L = 1 m40°

길이 1 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 40°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 1 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
θ = 10°중심 방향vmax​ = ?

반지름 280 m인 커브가 10° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 280 mθ = 10°μs = 0.25g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
40°L = 1.5 m0.5 kg

0.5 kg 공이 길이 1.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 40°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgL = 1.5 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 2000 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1 kg66 m/s11 kgv′2​ = ?

수평으로 37 m/s로 움직이던 12 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 1 kg 파편은 66 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 11 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 12 kgu = 37 m/sm1 = 1 kgv′1 = 66 m/sm2 = 11 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1200 kg15 m/s1000 kg21 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 15 m/s로 달리던 1200 kg 자동차가 북쪽으로 21 m/s로 달리던 1000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1200 kgv1 = 15 m/s (E)m2 = 1000 kgv2 = 21 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
n = 1400 rpmP = 166 kW

축이 1400 rpm에서 166 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 166 kWn = 1400 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
θ = 10°vs = 6.5 m

균일한 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 10°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.3 m이다. 경사면을 따라 6.5 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 10°s = 6.5 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.3 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​N2​ = ?

두 평행축이 72 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 3 mm, 감속비 2 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 기어의 잇수 N2은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 72 mmm = 3 mmi = 2
N2 =
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm960 rpmC = 1000 mmθ = ?

평벨트가 120 mm 풀리와 450 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 1000 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 120 mmd2 = 450 mmC = 1000 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = 1.3 mT = 2.41 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.3 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.41 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.3 mT = 2.41 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?7.6

한 물체가 주기 1 s, 진폭 19 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 7.6 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1 sA = 19 cmx = 7.6 cm
t = s
19.기계 진동보통
tx20 mm1주기10.6 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 20 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 10.6 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 20 mmx1 = 10.6 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 5m = 10 kg

10 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 15 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 5 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 49.38 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·5) = 49.38 m

답

s = 49.38 m
2.운동학

답: hmax = 35.1 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 = 10²/(2·9.81) = 5.097 m

지면으로부터의 높이

hmax = 30 + 5.097 = 35.1 m

답

hmax = 35.1 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 0.5897 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 20° − 0.3·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2819) = 0.5897 m/s²

답

a = 0.5897 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.675 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) = (14.71 − 0)/5.5 = 2.675 m/s²

답

a = 2.675 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 14.69 °

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·20/20² = 0.4905

위상각

2θ = 29.37° → θ = 14.69°

답

θ = 14.69°

다른 해는 90° − θ = 75.31°입니다.

6.포물선 운동

답: α = 65.54 °

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

초기 속도 분해

vx = 16·cos 45° = 11.31 m/s
vy0 = 16·sin 45° = 11.31 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(11.31² + 2·9.81·25) = 24.87 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 24.87/11.31 → α = 65.54°

답

α = 65.54°
7.원운동

답: T = 1.756 s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

원의 반지름

r = L·sin θ = 1·sin 40° = 0.6428 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.6428·9.81·tan 40°) = 2.3 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.6428/2.3 = 1.756 s

답

T = 1.756 s
8.원운동

답: vmax = 35 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

힘의 평형

마찰은 경사면 아래를 향합니다.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(280·9.81·0.4199/0.9414) = 35 m/s

답

vmax = 35 m/s
(126 km/h)
9.일과 에너지

답: T = 7.2 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 40°) = 6.885 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
T = mg + mv²/L = 4.905 + 0.5·6.885/1.5 = 7.2 N

답

T = 7.2 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 7.2 N.

10.일과 에너지

답: v = 8.046 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 = 24.53·(4.5 − 0.3·4) = 80.93 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.3) = 8.046 m/s

답

v = 8.046 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 34.36 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

충돌 전 운동량

p = M·u = 12·37 = 444 kg·m/s

충돌 후 운동량

444 = 1·66 + 11·v′2
v′2 = (444 − 66)/11 = 34.36 m/s

답

v′2 = 34.36 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 49.4 °

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

운동량 성분

px = 1200·15 = 18000 kg·m/s
py = 1000·21 = 21000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 1.167 → θ = 49.4°

답

θ = 49.4°
13.강체의 회전

답: T = 1132 N·m

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

각속도

ω = 2π·1400/60 = 146.6 rad/s

토크

T = P/ω = 166000/146.6 = 1132 N·m

답

T = 1132 N·m
14.강체의 회전

답: ω = 13.26 rad/s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

내려간 높이

h = s·sin θ = 6.5·sin 10° = 1.129 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·1.129/1.4) = 3.977 m/s
ω = v/r = 3.977/0.3 = 13.26 rad/s

답

ω = 13.26 rad/s
15.기어와 기어열

답: N2 = 32

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·72/3 = 48

비율로 나누기

N1 = 48/(1 + 2) = 16
N2 = 2·16 = 32

답

N2 = 32
16.기어와 기어열

답: θ = 161 °

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(0.165) = 9.497°

접촉각

θ = 180 − 2·9.497 = 161°

답

θ = 161°
17.용수철과 진자

답: g = 8.836 m/s²

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.3/2.41² = 8.836 m/s²

답

g = 8.836 m/s²
18.용수철과 진자

답: t = 0.06549 s

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

각주파수

ω = 2π/T = 2π/1 = 6.283 rad/s

시간에 대해 풀기

0.4 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.4) = 0.4115 rad
t = 0.4115/6.283 = 0.06549 s

답

t = 0.06549 s
19.기계 진동

답: ζ = 0.1005

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 = (1/1)·ln(20/10.6) = 0.6349

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6349/√(39.48 + 0.4031) = 0.1005

답

ζ = 0.1005
20.기계 진동

답: fn = 3.082 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 = 1/15 + 1/5 → keq = 15·5/(15 + 5) = 3.75 kN/m

고유 진동수

ωn = √(3750/10) = 19.36 rad/s
fn = 19.36/(2π) = 3.082 Hz

답

fn = 3.082 Hz

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