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)t = ?10

36 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s35 m

지면에서 35 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 = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 15°40 kgF = ?

40 kg 상자를 수평과 15°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 40 kgθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
10 kg12 kgTF = 60 Nμ = 0.15

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 60 N이 앞쪽의 12 kg 블록을 끌고, 10 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 12 kgF = 60 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/s35°x = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 11 m/s20°H = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 11 m/s, 수평 위 20°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 11 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 80 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 80 m의 원호인 도로의 둔덕 꼭대기를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 속력 vmax이(가) 얼마를 넘으면 꼭대기에서 바퀴가 도로에서 떨어지는가?

r = 80 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = ?

길이 0.5 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 0.5 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
20°d = 16 mμ = 0.1

질량 5 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 16 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0.1d = 16 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 2 mμ = 0.15k = 800 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 800 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 2 mL = 2 mμ = 0.15k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1 kg11 m/s4.5 kg

11 m/s로 움직이는 질량 1 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 1 kgm2 = 4.5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1500 kgv1​ = ?1700 kg

1500 kg 자동차가 주차된 1700 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 23 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1500 kgm2 = 1700 kgd = 23 mμ = 0.6g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
3.5 kgaαM = 7.5 kgR = 0.15 m

질량 3.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 7.5 kg, 반지름 0.15 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgM = 7.5 kgR = 0.15 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.강체의 회전어려움
원판: 7 kg고리: 16 kgn1​ = 350 rpm

균일한 원판(질량 7 kg, 반지름 0.1 m)이 마찰 없는 수직 축에서 350 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 16 kg이고 반지름이 같은 얇은 고리를 정지 상태에서 축 중심에 맞춰 원판 위에 떨어뜨리면, 둘은 곧 함께 회전한다. 이 과정에서 잃는 운동 에너지 ΔE을(를) 구하시오.

Mdisc = 7 kgMring = 16 kgR = 0.1 mn1 = 350 rpm
ΔE = J
15.기어와 기어열보통
N1​ = 12N2​ = 36

1440 rpm으로 도는 5.5 kW 모터가 잇수 12개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 36개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 5.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 36η = 100%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 36C = 60D = 72

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 30개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 60개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 72개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 30B = 36C = 60D = 72
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.15 s

k = 310 N/m인 스프링에 매단 3.3 kg 질량을 양의 방향으로 3 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.15 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.3 kgk = 310 N/mA = 3 cmt = 0.15 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
mk = 430 N/mA = 20 cmx = 2 cm

k = 430 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 20 cm로 진동한다. 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 430 N/mA = 20 cmx = 2 cm
K = J
19.기계 진동보통
k = 25 kN/mc = 40 N·s/mm = 8 kg

8 kg 질량이 강성 25 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 40 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 8 kgk = 25 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 10k2​ = 30k3​ = 60m = 40 kg

40 kg 질량이 스프링 k₃ = 60 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 10 kN/m, k₂ = 30 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 = 10 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 1.333 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.

단위

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/7.5 = 1.333 s

답

t = 1.333 s
2.운동학

답: hmax = 36.83 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 = 35 + 1.835 = 36.83 m

답

hmax = 36.83 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 158.4 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 = 101.6 + 56.85 = 158.4 N

답

F = 158.4 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 27.27 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (60 − 32.37)/22 = 1.256 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 10·(1.256 + 1.472) = 27.27 N

답

T = 27.27 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: x = 110.7 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 = 34·cos 35° = 27.85 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 35° = 19.5 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·19.5/9.81 = 3.976 s

수평 거리

x = vx·t = 27.85·3.976 = 110.7 m

답

x = 110.7 m
6.포물선 운동

답: H = 25.72 m

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

처음 수직 속력

vy = 11·sin 20° = 3.762 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 3.762²/(2·9.81) = 0.7214 m

지면으로부터의 높이

H = 25 + 0.7214 = 25.72 m

답

H = 25.72 m
7.원운동

답: vmax = 28.01 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.

수직항력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·80) = 28.01 m/s

답

vmax = 28.01 m/s
(100.9 km/h)
8.원운동

답: vmin = 2.215 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) = √(9.81·0.5) = 2.215 m/s

답

vmin = 2.215 m/s
9.일과 에너지

답: Wf = 73.75 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 = 49.05·0.9397 = 46.09 N
F = μN = 0.1·46.09 = 4.609 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 4.609·16 = 73.75 J

답

Wf = 73.75 J
10.일과 에너지

답: v = 5.775 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 = 49.05·(2 − 0.15·2) = 83.39 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.7) = 5.775 m/s

답

v = 5.775 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −7 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 = (1 − 4.5)/(1 + 4.5)·11 = −7 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4.5)·11 = 4 m/s

답

v′1 = −7 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 35.1 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.6·9.81·23) = 16.45 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·16.45/1500 = 35.1 m/s

답

v1 = 35.1 m/s
(126.4 km/h)
13.강체의 회전

답: a = 4.736 m/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.

물체와 도르래

블록: m·g − T = m·a
도르래: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

가속도

a = m·g/(m + M/2) = 3.5·9.81/(3.5 + 3.75) = 4.736 m/s²

답

a = 4.736 m/s²
14.강체의 회전

답: ΔE = 19.29 J

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 = ½·7·0.1² = 0.035 kg·m²
I2 = 16·0.1² = 0.16 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 350·0.035/0.195 = 62.82 rpm

충돌 전후의 운동 에너지

E1 = ½·0.035·36.65² = 23.51 J
E2 = ½·0.195·6.579² = 4.22 J
ΔE = 23.51 − 4.22 = 19.29 J

답

ΔE = 19.29 J
15.기어와 기어열

답: T2 = 109.4 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/150.8 = 36.47 N·m

출력 토크

T2 = 36.47·36/12·1 = 109.4 N·m

답

T2 = 109.4 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 2014 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 = 2900·30/36 = 2417 rpm = nC

2단

nout = 2417·60/72 = 2014 rpm

답

nout = 2014 rpm

전체 기어비 = 1.44 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 0.3501 cm

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 = √(310/3.3) = 9.692 rad/s
ω·t = 9.692·0.15 = 1.454 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 3·cos(1.454) = 0.3501 cm

답

x = 0.3501 cm
18.용수철과 진자

답: K = 8.514 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 = ½·430·0.2² = 8.6 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·430·0.02² = 0.086 J

운동 에너지

K = 8.6 − 0.086 = 8.514 J

답

K = 8.514 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.04472

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.

임계 감쇠

cc = 2·√(k·m) = 2·√(25000·8) = 894.4 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 40/894.4 = 0.04472

답

ζ = 0.04472

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 3.898 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 = 10 + 30 = 40 kN/m
keq = 40·60/(40 + 60) = 24 kN/m

고유 진동수

ωn = √(24000/40) = 24.49 rad/s
fn = 24.49/(2π) = 3.898 Hz

답

fn = 3.898 Hz

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