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 m/s²자동차15 m/s

일정한 15 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 15 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 6 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3 kg1 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 3 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 1 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 16 m/sθ = ?R = 15 m

평지에서 공을 16 m/s로 발사해 15 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 = 16 m/sR = 15 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 55 mv0​ = 27 m/s60°x = ?

공을 높이 55 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 27 m/sθ = 60°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 135 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 135 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 135 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.1 mv = 8.5 m/s

길이 1.1 m인 줄에 매단 질량 0.9 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.9 kgr = 1.1 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
120 km/h

평평한 도로를 120 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.4이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 120 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 3.5 mμ = 0.3k = 800 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 800 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 4.5 mL = 3.5 mμ = 0.3k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3.5 kg8 m/s2.5 kg

8 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 2.5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1100 kg25 m/s2000 kg24 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 25 m/s로 달리던 1100 kg 자동차가 북쪽으로 24 m/s로 달리던 2000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1100 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 2000 kgv2 = 24 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
0 → 1600 rpmI = 1 kg·m²

모터가 관성 모멘트 1 kg·m²의 플라이휠을 정지 상태에서 30 s 만에 1600 rpm까지 올린다. 손실을 무시할 때 모터가 내는 평균 일률 Pavg을(를) kW로 구하시오.

I = 1 kg·m²n = 1600 rpmt = 30 s
Pavg = kW
14.강체의 회전어려움
θ = 15°a

속 빈 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 = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.기어와 기어열보통
N1​ = 12N2​ = 16

2900 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 12개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 16개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 16η = 100%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 15C = 12D = 32

1440 rpm의 15 kW 모터가 기어 A(잇수 12개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 15개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 12개)는 출력축의 기어 D(잇수 32개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 95%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 12B = 15C = 12D = 32ηmesh = 95%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
L = 2.5 m

단진자의 길이는 2.5 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 2.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
mk = 30 N/mA = 7 cmx = 3 cm

k = 30 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 7 cm로 진동한다. 평형점에서 3 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 30 N/mA = 7 cmx = 3 cm
K = J
19.기계 진동보통
tx15 mm2주기4.2 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 15 mm 다음 2주기 뒤에 최댓값 4.2 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 15 mmx2 = 4.2 mmn = 2
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 50k3​ = 50m = 40 kg

40 kg 질량이 스프링 k₃ = 50 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 30 kN/m, k₂ = 50 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 225 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·15/2 = 15 s

거리

d = v·t = 15·15 = 225 m

답

d = 225 m

그 순간 경찰차는 2v = 30 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 6.835 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 = 6²/(2·9.81) = 1.835 m

지면으로부터의 높이

hmax = 5 + 1.835 = 6.835 m

답

hmax = 6.835 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.781 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 30° − 0.25·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.2165) = 2.781 m/s²

답

a = 2.781 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 8.093 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) = (9.81 − 2.943)/4 = 1.717 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3·1.717 + 2.943 = 8.093 N

답

T = 8.093 N
5.포물선 운동

답: θ = 17.54 °

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

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·15/16² = 0.5748

위상각

2θ = 35.09° → θ = 17.54°

답

θ = 17.54°

다른 해는 90° − θ = 72.46°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 87.67 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 = 27·cos 60° = 13.5 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 60° = 23.38 m/s

체공 시간

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

0 = 55 + 23.38·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (23.38 + √(546.7 + 1079))/9.81 = 6.494 s

수평 거리

x = vx·t = 13.5·6.494 = 87.67 m

답

x = 87.67 m
7.원운동

답: vmax = 32.55 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) = √(0.8·9.81·135) = 32.55 m/s

답

vmax = 32.55 m/s (117.2 km/h)
8.원운동

답: T = 67.94 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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 0.9·9.81 + 0.9·8.5²/1.1 = 8.829 + 59.11 = 67.94 N

답

T = 67.94 N
9.일과 에너지

답: d = 141.6 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).

기본 단위의 속력

v = 120/3.6 = 33.33 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33.33²/(2·0.4·9.81) = 141.6 m

답

d = 141.6 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 91.98 cm

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 = 98.1·(4.5 − 0.3·3.5) = 338.4 J

최대 압축량

½kx² = 338.4 → x = √(2·338.4/800) = 0.9198 m = 91.98 cm

답

x = 91.98 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 9.333 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 − 2.5)/(3.5 + 2.5)·8 = 1.333 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 2.5)·8 = 9.333 m/s

답

v′2 = 9.333 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 17.85 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.

운동량 성분

px = 1100·25 = 27500 kg·m/s
py = 2000·24 = 48000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 55320/3100 = 17.85 m/s

답

v′ = 17.85 m/s
13.강체의 회전

답: Pavg = 0.4679 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·1600/60 = 167.6 rad/s

에너지

E = ½·I·ω² = ½·1·167.6² = 14037 J

평균 동력

Pavg = E/t = 14037/30 = 467.9 W = 0.4679 kW

답

Pavg = 0.4679 kW
14.강체의 회전

답: a = 1.523 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 = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 15°/1.667 = 1.523 m/s²

답

a = 1.523 m/s²
15.기어와 기어열

답: T2 = 6.586 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 = 1500/303.7 = 4.939 N·m

출력 토크

T2 = 4.939·16/12·1 = 6.586 N·m

답

T2 = 6.586 N·m
16.기어와 기어열

답: Tout = 299.2 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 = 1440·(12/15)·(12/32) = 432 rpm
ωout = 2π·432/60 = 45.24 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 15000·0.95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/45.24 = 299.2 N·m

답

Tout = 299.2 N·m
17.용수철과 진자

답: T = 3.172 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(2.5/9.81) = 3.172 s

답

T = 3.172 s
18.용수철과 진자

답: K = 0.06 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 = ½·30·0.07² = 0.0735 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·30·0.03² = 0.0135 J

운동 에너지

K = 0.0735 − 0.0135 = 0.06 J

답

K = 0.06 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.1008

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 = (1/2)·ln(15/4.2) = 0.6365

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6365/√(39.48 + 0.4051) = 0.1008

답

ζ = 0.1008
20.기계 진동

답: fn = 4.414 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 = 30 + 50 = 80 kN/m
keq = 80·50/(80 + 50) = 30.77 kN/m

고유 진동수

ωn = √(30769/40) = 27.74 rad/s
fn = 27.74/(2π) = 4.414 Hz

답

fn = 4.414 Hz

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