동역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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
a = 2.75 m/s²s = 700 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2.75 m/s²로 균일하게 가속한다. 700 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2.75 m/s²s = 700 m
v = m/s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)9 s

트램이 정지 상태에서 출발해 9 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 29 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 9 st2 = 29 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 10 kg

질량 10 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 7.5 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 7.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 7.5 m/sθ = 15°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/sθ = ?R = 25 m

평지에서 공을 24 m/s로 발사해 25 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 = 24 m/sR = 25 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 12 m/s45°α = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 12 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 12 m/sθ = 45°h = 25 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
L = 1.1 m25°

길이 1.1 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 25°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 1.1 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 1.1 mv = ?

길이 1.1 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1.1 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
0.1 kgk = 2000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 2000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.1 kg 공을 올려놓고 스프링을 3 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.1 kgk = 2000 N/mx = 3 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
F = 55 N15°μ = 0.210 kg

10 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 55 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. 블록이 경사면을 따라 3 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 kgF = 55 Nθ = 15°μ = 0.2d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg7 m/s3 kg

7 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 3 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1300 kg24 m/s1500 kg14 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 24 m/s로 달리던 1300 kg 자동차가 북쪽으로 14 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1300 kgv1 = 24 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 14 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
n = 3000 rpmP = 56 kW

축이 3000 rpm에서 56 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 56 kWn = 3000 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
원판: 23 kg고리: 3 kgn1​ = 850 rpm

균일한 원판(질량 23 kg, 반지름 0.15 m)이 마찰 없는 수직 축에서 850 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 3 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 = 23 kgMring = 3 kgR = 0.15 mn1 = 850 rpm
ΔE = J
15.기어와 기어열보통
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1440 rpmT1​ = 500 NT2​ = 250 NP = ?

벨트가 150 mm 구동 풀리 위를 1440 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 500 N, 이완측 250 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmT1 = 500 NT2 = 250 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
A = 20B = 25C = 12D = ?

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 20개)가 2880 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 25개)를 구동한다. 기어 C(잇수 12개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D를 구동한다. 출력은 1536 rpm으로 돌아야 한다. 기어 D의 잇수 ND은(는) 몇 개여야 하는가?

nin = 2880 rpmA = 20B = 25C = 12nout = 1536 rpm
ND =
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.4 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.4 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?4.8

한 물체가 주기 1.7 s, 진폭 6 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 4.8 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1.7 sA = 6 cmx = 4.8 cm
t = s
19.기계 진동보통
k = 2 kN/mc = 200 N·s/mm = 20 kg

20 kg 질량이 강성 2 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 200 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 20 kgk = 2 kN/mc = 200 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 30m = 50 kg

50 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 12 kN/m, k₂ = 30 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 62.05 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·2.75·700) = 62.05 m/s

답

v = 62.05 m/s
(223.4 km/h)
2.운동학

답: s = 855 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 = 2.5·9 = 22.5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2.5·9² = 101.3 m
s2 = 22.5·29 = 652.5 m
s3 = 22.5²/(2·2.5) = 101.3 m

총거리

s = 101.3 + 652.5 + 101.3 = 855 m

답

s = 855 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.179 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 40° − 0.15·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1149) = 5.179 m/s²

답

a = 5.179 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 5.731 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 15° + 0.25·cos 15°) = 4.908 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 7.5²/(2·4.908) = 5.731 m

답

d = 5.731 m
5.포물선 운동

답: θ = 12.6 °

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 = 9.81·25/24² = 0.4258

위상각

2θ = 25.2° → θ = 12.6°

답

θ = 12.6°

다른 해는 90° − θ = 77.4°입니다.

6.포물선 운동

답: α = 70.31 °

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

초기 속도 분해

vx = 12·cos 45° = 8.485 m/s
vy0 = 12·sin 45° = 8.485 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(8.485² + 2·9.81·25) = 23.72 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 23.72/8.485 → α = 70.31°

답

α = 70.31°
7.원운동

답: v = 1.458 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 1.1·sin 25° = 0.4649 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0.4649·9.81·tan 25°) = 1.458 m/s

답

v = 1.458 m/s
8.원운동

답: vmin = 3.285 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) = √(9.81·1.1) = 3.285 m/s

답

vmin = 3.285 m/s
9.일과 에너지

답: h = 0.9174 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).

스프링 에너지

x = 3 cm = 0.03 m
½kx² = ½·2000·0.03² = 0.9 J

높이

m·g = 0.1·9.81 = 0.981 N
h = ½kx²/(mg) = 0.9/0.981 = 0.9174 m

답

h = 0.9174 m
10.일과 에너지

답: v = 2.529 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 = 10·9.81 = 98.1 N
mg·sin θ = 25.39 N
μ·mg·cos θ = 18.95 N

일–에너지

½mv² = (55 − 44.34)·3 = 31.98 J
v = √(2·31.98/10) = 2.529 m/s

답

v = 2.529 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 8.4 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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (4.5 − 3)/(4.5 + 3)·7 = 1.4 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 3)·7 = 8.4 m/s

답

v′2 = 8.4 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 13.43 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 = 1300·24 = 31200 kg·m/s
py = 1500·14 = 21000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 37609/2800 = 13.43 m/s

답

v′ = 13.43 m/s
13.강체의 회전

답: T = 178.3 N·m

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·3000/60 = 314.2 rad/s

토크

T = P/ω = 56000/314.2 = 178.3 N·m

답

T = 178.3 N·m
14.강체의 회전

답: ΔE = 212.1 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 = ½·23·0.15² = 0.2587 kg·m²
I2 = 3·0.15² = 0.0675 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 850·0.2587/0.3262 = 674.1 rpm

충돌 전후의 운동 에너지

E1 = ½·0.2587·89.01² = 1025 J
E2 = ½·0.3262·70.6² = 813 J
ΔE = 1025 − 813 = 212.1 J

답

ΔE = 212.1 J
15.기어와 기어열

답: P = 2.827 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 = 11.31 m/s

전력

P = (500 − 250)·11.31 = 2827 W = 2.827 kW

답

P = 2.827 kW
16.기어와 기어열

답: ND = 18

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.

중간축 속도

nB = nC = 2880·20/25 = 2304 rpm

기어 D의 잇수

ND = C·nC/nout = 12·2304/1536 = 18

답

ND = 18
17.용수철과 진자

답: L = 1.431 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.4/2π)² = 1.431 m

답

L = 1.431 m
18.용수철과 진자

답: t = 0.2509 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 = 2π/T = 2π/1.7 = 3.696 rad/s

시간에 대해 풀기

0.8 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.8) = 0.9273 rad
t = 0.9273/3.696 = 0.2509 s

답

t = 0.2509 s
19.기계 진동

답: ζ = 0.5

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·√(2000·20) = 400 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 200/400 = 0.5

답

ζ = 0.5

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 4.613 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 = 12 + 30 = 42 kN/m

고유 진동수

ωn = √(42000/50) = 28.98 rad/s
fn = 28.98/(2π) = 4.613 Hz

답

fn = 4.613 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics