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)1.3 s25

90 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.3 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/htr = 1.3 sa = −4.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)8 s

트램이 정지 상태에서 출발해 8 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 25 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 8 st2 = 25 sa3 = −4.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 3.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 3.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 1.6 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 3.5 m/sd = 1.6 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg5 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 1.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/s45°x = ?

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 35 mv0​ = 29 m/s35°v = ?

35 m 절벽 꼭대기에서 공을 29 m/s, 수평 위 35°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 29 m/sθ = 35°h = 35 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 140 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 140 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 = 140 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.6 mv = ?

길이 0.6 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 0.6 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
20°d = 5 mμ = 0.25

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 5 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.25이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 20°μ = 0.25d = 5 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 1000 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 3.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?20 gh = 16 cm

20 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 16 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 gM = 4.5 kgh = 16 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
12 m/s19 m/s

질량 0.3 kg인 공이 12 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 19 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgvin = 12 m/svout = 19 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
L = 2.9 mm = 11.5 kgα

질량 11.5 kg, 길이 2.9 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 = 11.5 kgL = 2.9 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.강체의 회전어려움
0.7 m0.15 mn1​ = 20 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 4 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.7 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 4 kg·m²이다. 이들이 20 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.15 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 4 kg·m²m = 2 × 4 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.15 mn1 = 20 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

벨트가 160 mm 구동 풀리 위를 1500 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 800 N, 이완측 160 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 80C = 15D = 80

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 15개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 80개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 18B = 80C = 15D = 80
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 1.5 mT = 1.55 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.5 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.55 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.5 mT = 1.55 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
1 kgk = 430 N/mA = 9 cm

k = 430 N/m인 용수철에 매단 1 kg 물체를 평형 위치에서 9 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 1 kgk = 430 N/mA = 9 cm
E = J
19.기계 진동보통
tx10 mm1주기7.3 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 10 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 7.3 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 10 mmx1 = 7.3 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 80k2​ = 20k3​ = 15m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 15 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 80 kN/m, k₂ = 20 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 101.9 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 = 90/3.6 = 25 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 25·1.3 = 32.5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·4.5) = 69.44 m

합계

d = 32.5 + 69.44 = 101.9 m

답

d = 101.9 m
2.운동학

답: s = 492.4 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2·8 = 16 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·8² = 64 m
s2 = 16·25 = 400 m
s3 = 16²/(2·4.5) = 28.44 m

총거리

s = 64 + 400 + 28.44 = 492.4 m

답

s = 492.4 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.3902

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.

감속도

a = v₀²/(2d) = 3.5²/(2·1.6) = 3.828 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.828/9.81 = 0.3902

답

μ = 0.3902
4.뉴턴 법칙

답: a = 6.867 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) = (49.05 − 4.414)/6.5 = 6.867 m/s²

답

a = 6.867 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 58.72 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 = 24·cos 45° = 16.97 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 45° = 16.97 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·16.97/9.81 = 3.46 s

수평 거리

x = vx·t = 16.97·3.46 = 58.72 m

답

x = 58.72 m
6.포물선 운동

답: v = 39.09 m/s

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

초기 속도 분해

vx = 29·cos 35° = 23.76 m/s
vy0 = 29·sin 35° = 16.63 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(16.63² + 2·9.81·35) = 31.04 m/s

충돌 속력

v = √(23.76² + 31.04²) = 39.09 m/s

답

v = 39.09 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: vmax = 20.3 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) = √(0.3·9.81·140) = 20.3 m/s

답

vmax = 20.3 m/s (73.07 km/h)
8.원운동

답: vmin = 2.426 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.6) = 2.426 m/s

답

vmin = 2.426 m/s
9.일과 에너지

답: Wf = 28.81 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 = 24.53·0.9397 = 23.05 N
F = μN = 0.25·23.05 = 5.761 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 5.761·5 = 28.81 J

답

Wf = 28.81 J
10.일과 에너지

답: v = 7.672 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 = 98.1·(3.5 − 0.2·2.5) = 294.3 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3) = 7.672 m/s

답

v = 7.672 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 400.4 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 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.16) = 1.772 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 4.5)·1.772/0.02 = 400.4 m/s

답

v = 400.4 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 9.3 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 = 0.3·(19 + 12) = 9.3 N·s

답

J = 9.3 N·s
13.강체의 회전

답: R = 28.2 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/(2·2.9) = 5.074 rad/s²

수직 방향의 힘

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 11.5·(9.81 − 7.357) = 28.2 N

답

R = 28.2 N

R = m·g/4이며 길이와 무관합니다.

14.강체의 회전

답: n2 = 37.89 rpm

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.

관성 모멘트

I1 = 4 + 2·4·0.7² = 7.92 kg·m²
I2 = 4 + 2·4·0.15² = 4.18 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 20·7.92/4.18 = 37.89 rpm

답

n2 = 37.89 rpm

운동 에너지가 증가합니다. 늘어난 에너지는 사람이 아령을 끌어당기며 한 일에서 나옵니다.

15.기어와 기어열

답: P = 8.042 kW

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 속도

v = 12.57 m/s

전력

P = (800 − 160)·12.57 = 8042 W = 8.042 kW

답

P = 8.042 kW
16.기어와 기어열

답: nout = 63.28 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 = 1500·18/80 = 337.5 rpm = nC

2단

nout = 337.5·15/80 = 63.28 rpm

답

nout = 63.28 rpm

전체 기어비 = 23.7 : 1

17.용수철과 진자

답: g = 24.65 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 = 4π²·1.5/1.55² = 24.65 m/s²

답

g = 24.65 m/s²
18.용수철과 진자

답: E = 1.741 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.

각주파수

ω = √(430/1) = 20.74 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·430·0.09² = 1.741 J

답

E = 1.741 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.05003

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(10/7.3) = 0.3147

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3147/√(39.48 + 0.09904) = 0.05003

답

ζ = 0.05003
20.기계 진동

답: fn = 2.571 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 = 80 + 20 = 100 kN/m
keq = 100·15/(100 + 15) = 13.04 kN/m

고유 진동수

ωn = √(13043/50) = 16.15 rad/s
fn = 16.15/(2π) = 2.571 Hz

답

fn = 2.571 Hz

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