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)3.704 s27.78

100 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)11 s

트램이 정지 상태에서 출발해 11 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 16 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 11 st2 = 16 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°a = ?m = 11 kg

질량 11 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 = 11 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg3 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 2 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 = 2 kgm2 = 3 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/s20°수평 도달 거리

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

v0 = 38 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 25 m/s25°v = ?

15 m 절벽 꼭대기에서 공을 25 m/s, 수평 위 25°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 25 m/sθ = 25°h = 15 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 2.2 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.2 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 2.2 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 0.5 m10 m/svtop​ = ?

길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매단 1.8 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.8 kgr = 0.5 mvbottom = 10 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
35°d = 13 mμ = 0.4

블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. 경사면을 따라 13 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 35°μ = 0.4d = 13 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 5000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 2.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1300 kg25 m/s1500 kg

25 m/s로 움직이는 1300 kg 자동차가 정지해 있는 1500 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 1300 kgv1 = 25 m/sm2 = 1500 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.운동량과 충돌어려움
1500 kg24 m/s1800 kg23 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1500 kg 자동차가 북쪽으로 23 m/s로 달리던 1800 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1500 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 23 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
6 kgaαM = 5 kgR = 0.3 m

질량 6 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 5 kg, 반지름 0.3 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 6 kgM = 5 kgR = 0.3 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.강체의 회전어려움
θ = 20°vs = 7.5 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 20°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 7.5 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°s = 7.5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 80 NP = ?

벨트가 80 mm 구동 풀리 위를 960 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 400 N, 이완측 80 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 1200 mmθ = ?

평벨트가 160 mm 풀리와 200 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 1200 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 160 mmd2 = 200 mmC = 1200 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
3.9 kgk = 220 N/mA = 11 cmx = 10 cm

k = 220 N/m인 스프링에 매단 3.9 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 11 cm로 진동한다. 평형점에서 10 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 3.9 kgk = 220 N/mA = 11 cmx = 10 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
2.4 kgk = 150 N/m

k = 150 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 2.4 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 2.4 kgk = 150 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
k = 12 kN/mc = 80 N·s/mm = 20 kg

20 kg 질량이 강성 12 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 80 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 20 kgk = 12 kN/mc = 80 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 10m = 50 kg

50 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 15 kN/m, k₂ = 10 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 15 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 51.44 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·7.5) = 51.44 m

답

s = 51.44 m
2.운동학

답: s = 553.7 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 = 2·11 = 22 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·11² = 121 m
s2 = 22·16 = 352 m
s3 = 22²/(2·3) = 80.67 m

총거리

s = 121 + 352 + 80.67 = 553.7 m

답

s = 553.7 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: a = 4.709 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 − 5.886)/5 = 4.709 m/s²

답

a = 4.709 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 2.65 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 = 38·cos 20° = 35.71 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 20° = 13 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·13/9.81 = 2.65 s

답

t = 2.65 s
6.포물선 운동

답: v = 30.32 m/s

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

초기 속도 분해

vx = 25·cos 25° = 22.66 m/s
vy0 = 25·sin 25° = 10.57 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(10.57² + 2·9.81·15) = 20.15 m/s

충돌 속력

v = √(22.66² + 20.15²) = 30.32 m/s

답

v = 30.32 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: ω = 2.726 rad/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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.6·2.2)) = 2.726 rad/s

답

ω = 2.726 rad/s
8.원운동

답: Ttop = 271.7 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 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 10² − 4·9.81·0.5 = 80.38 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.8·80.38/0.5 − 1.8·9.81 = 271.7 N

답

Ttop = 271.7 N
9.일과 에너지

답: v = 7.92 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·13·(0.5736 − 0.4·0.8192)) = 7.92 m/s

답

v = 7.92 m/s
10.일과 에너지

답: x = 10.85 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 = 19.62·(2.5 − 0.25·4) = 29.43 J

최대 압축량

½kx² = 29.43 → x = √(2·29.43/5000) = 0.1085 m = 10.85 cm

답

x = 10.85 cm
11.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 53.57 %

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1300·25/2800 = 11.61 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1300·25² = 406250 J
Kafter = ½·2800·11.61² = 188616 J

잃은 비율

ΔK/K = 217634/406250 = 53.57 %

답

ΔK/K = 53.57 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 16.63 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 = 1500·24 = 36000 kg·m/s
py = 1800·23 = 41400 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 54863/3300 = 16.63 m/s

답

v′ = 16.63 m/s
13.강체의 회전

답: T = 17.31 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.

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) = 6·9.81/(6 + 2.5) = 6.925 m/s²

장력

T = m·(g − a) = 6·(9.81 − 6.925) = 17.31 N

답

T = 17.31 N
14.강체의 회전

답: v = 5.792 m/s

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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 7.5·sin 20° = 2.565 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.5)
v = √(2·9.81·2.565/1.5) = 5.792 m/s

답

v = 5.792 m/s
15.기어와 기어열

답: P = 1.287 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 = 4.021 m/s

전력

P = (400 − 80)·4.021 = 1287 W = 1.287 kW

답

P = 1.287 kW
16.기어와 기어열

답: θ = 178.1 °

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(0.01667) = 0.955°

접촉각

θ = 180 − 2·0.955 = 178.1°

답

θ = 178.1°
17.용수철과 진자

답: v = 0.3442 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 = √(220/3.9) = 7.511 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 7.511·√(0.11² − 0.1²) = 0.3442 m/s

답

v = 0.3442 m/s
18.용수철과 진자

답: xmax = 31.39 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 2.4·9.81/150 = 0.157 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.3139 m = 31.39 cm

답

xmax = 31.39 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.08165

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·√(12000·20) = 979.8 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 80/979.8 = 0.08165

답

ζ = 0.08165

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 3.559 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 = 15 + 10 = 25 kN/m

고유 진동수

ωn = √(25000/50) = 22.36 rad/s
fn = 22.36/(2π) = 3.559 Hz

답

fn = 3.559 Hz

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