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)2.5 s12.5

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

v₀ = 45 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 14 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 14 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 14 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 9.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 9.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 18 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 9.5 m/sd = 18 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg5.5 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 6 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/s65°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 65° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 14 m/s60°수평 도달 거리

공을 높이 15 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 60°h = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 50 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 50 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 = 50 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.3 m9.5 m/svtop​ = ?

길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매단 1.6 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.6 kgr = 1.3 mvbottom = 9.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
25°d = 2 mμ = 0.35

질량 2 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 2 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 25°μ = 0.35d = 2 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 30 N35°μ = 0.152 kg

2 kg 블록이 35° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 30 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 5 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 30 Nθ = 35°μ = 0.15d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
800 kg18 m/s2000 kg

18 m/s로 움직이는 800 kg 자동차가 정지해 있는 2000 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 800 kgv1 = 18 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
900 kg20 m/s1500 kg18 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 20 m/s로 달리던 900 kg 자동차가 북쪽으로 18 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgv1 = 20 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 18 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
1 kgaαM = 10 kgR = 0.45 m

질량 1 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 10 kg, 반지름 0.45 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체가 2 m 떨어진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1 kgM = 10 kgR = 0.45 mg = 9.81 m/s²h = 2 m
v = m/s
14.강체의 회전어려움
440 m/s15 g0.75 mL = 1 m1.5 kg

질량 1.5 kg, 길이 1 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 15 g의 총알이 수평으로 440 m/s로 날아와 회전축보다 0.75 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. 충돌 직후 막대의 각속도 ω을(를) 구하시오.

M = 1.5 kgL = 1 mm = 15 gv = 440 m/sd = 0.75 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 2, 960 rpm

960 rpm의 2.2 kW 모터가 줄 수 2인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 50개이고 구동 장치의 효율은 70%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 2Nw = 50n = 960 rpmP = 2.2 kWη = 70%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 50C = 20D = 50

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 30개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 50개)를 구동한다. 기어 C(잇수 20개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 50개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 30B = 50C = 20D = 50
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
2.4 kgk = 440 N/mA = 4 cmx = 2 cm

k = 440 N/m인 스프링에 매단 2.4 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 4 cm로 진동한다. 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.4 kgk = 440 N/mA = 4 cmx = 2 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
1.2 kgk = 40 N/mA = 6 cm

k = 40 N/m인 용수철에 매단 1.2 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgk = 40 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
k = 20 kN/mζ = 0.5m = 20 kg

강성 20 kN/m인 스프링에 달린 20 kg 질량에 감쇠비 0.5을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk = 20 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 5m = 40 kg

40 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 50 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 5 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 50 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 15.63 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·5) = 15.63 m

답

s = 15.63 m
2.운동학

답: t = 4.456 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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−35 = 14·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 14·t − 35 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (14 + √(14² + 2·9.81·35))/9.81 = 4.456 s

답

t = 4.456 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2555

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) = 9.5²/(2·18) = 2.507 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.507/9.81 = 0.2555

답

μ = 0.2555
4.뉴턴 법칙

답: T = 33.78 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) = (53.96 − 11.77)/11.5 = 3.668 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6·3.668 + 11.77 = 33.78 N

답

T = 33.78 N
5.포물선 운동

답: t = 6.282 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 = 34·cos 65° = 14.37 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 65° = 30.81 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·30.81/9.81 = 6.282 s

답

t = 6.282 s
6.포물선 운동

답: t = 3.377 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 = 14·cos 60° = 7 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 60° = 12.12 m/s

체공 시간

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

0 = 15 + 12.12·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12.12 + √(147 + 294.3))/9.81 = 3.377 s

답

t = 3.377 s
7.원운동

답: vmax = 19.81 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) = √(0.8·9.81·50) = 19.81 m/s

답

vmax = 19.81 m/s (71.31 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 32.6 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 = 9.5² − 4·9.81·1.3 = 39.24 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.6·39.24/1.3 − 1.6·9.81 = 32.6 N

답

Ttop = 32.6 N
9.일과 에너지

답: Wf = 12.45 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 = 19.62·0.9063 = 17.78 N
F = μN = 0.35·17.78 = 6.224 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 6.224·2 = 12.45 J

답

Wf = 12.45 J
10.일과 에너지

답: v = 9.038 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 11.25 N
μ·mg·cos θ = 2.411 N

일–에너지

½mv² = (30 − 13.66)·5 = 81.68 J
v = √(2·81.68/2) = 9.038 m/s

답

v = 9.038 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 92571 J

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) = 800·18/2800 = 5.143 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·800·18² = 129600 J
Kafter = ½·2800·5.143² = 37029 J

잃은 에너지

ΔK = 129600 − 37029 = 92571 J

답

ΔK = 92571 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 13.52 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 = 900·20 = 18000 kg·m/s
py = 1500·18 = 27000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 32450/2400 = 13.52 m/s

답

v′ = 13.52 m/s
13.강체의 회전

답: v = 2.557 m/s

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) = 1·9.81/(1 + 5) = 1.635 m/s²

떨어진 뒤의 속력

v = √(2·a·h) = √(2·1.635·2) = 2.557 m/s

답

v = 2.557 m/s
14.강체의 회전

답: ω = 9.736 rad/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.

충돌 후의 관성 모멘트

I = M·L²/3 + m·d² = 1.5·1²/3 + 0.015·0.75² = 0.5084 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.015·440·0.75/0.5084 = 9.736 rad/s

답

ω = 9.736 rad/s
15.기어와 기어열

답: Tw = 383 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 960·2/50 = 38.4 rpm

출력 토크

ωw = 2π·38.4/60 = 4.021 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.7·2200/4.021 = 383 N·m

답

Tw = 383 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 696 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 = 2900·30/50 = 1740 rpm = nC

2단

nout = 1740·20/50 = 696 rpm

답

nout = 696 rpm

전체 기어비 = 4.167 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.469 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 = √(440/2.4) = 13.54 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 13.54·√(0.04² − 0.02²) = 0.469 m/s

답

v = 0.469 m/s
18.용수철과 진자

답: amax = 2 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.

각주파수

ω = √(40/1.2) = 5.774 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.06·5.774² = 2 m/s²

답

amax = 2 m/s²
19.기계 진동

답: fd = 4.359 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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(20000/20) = 31.62 rad/s
fn = 31.62/(2π) = 5.033 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5.033·√(1 − 0.5²) = 4.359 Hz

답

fd = 4.359 Hz
20.기계 진동

답: fn = 1.697 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 = 1/50 + 1/5 → keq = 50·5/(50 + 5) = 4.545 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4545/40) = 10.66 rad/s
fn = 10.66/(2π) = 1.697 Hz

답

fn = 1.697 Hz

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