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 s27.78

100 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.3 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/htr = 1.3 sa = −4 m/s²
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 1 m/s²로 가속한 다음, 22 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 1 m/s²t1 = 5 st2 = 22 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 6.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 6.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 14 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 6.5 m/sd = 14 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 7.5 kg2.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 7.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 7.5 kgm2 = 2.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 28 m/s55°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 28 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 17 m/s25°x = ?

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 17 m/sθ = 25°h = 30 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 3.5 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 3.5 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 3.5 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
r = 1 m9.5 m/svtop​ = ?

길이 1 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 mvbottom = 9.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
25°d = 16 mμ = 0.25

질량 2.5 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 16 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.25이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgθ = 25°μ = 0.25d = 16 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 25 N20°μ = 0.32 kg

2 kg 블록이 20° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 25 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. 블록이 경사면을 따라 6 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 25 Nθ = 20°μ = 0.3d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2 kgv = ?5 gh = 24 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 2 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 24 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 2 kgh = 24 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1600 kg14 m/s1700 kg23 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 14 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 23 m/s로 달리던 1700 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 14 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 23 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
5.5 kgaαM = 20 kgR = 0.15 m

질량 5.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 20 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 = 5.5 kgM = 20 kgR = 0.15 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.강체의 회전어려움
420 m/s40 g0.91 mL = 1.4 m7 kgφ

질량 7 kg, 길이 1.4 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 40 g의 총알이 수평으로 420 m/s로 날아와 회전축보다 0.91 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 연직선에서 가장 크게 흔들리는 각도 φ을(를) 구하시오.

M = 7 kgL = 1.4 mm = 40 gv = 420 m/sd = 0.91 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20, m = 3 mm

2900 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 20개, 모듈 3 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 4 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

평벨트가 100 mm 풀리와 200 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 500 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 200 mmC = 500 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.7 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.7 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?2.8

한 물체가 주기 1.6 s, 진폭 7 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 2.8 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1.6 sA = 7 cmx = 2.8 cm
t = s
19.기계 진동보통
tx50 mm1주기26.6 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 26.6 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx1 = 26.6 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 50k3​ = 20m = 10 kg

10 kg 질량이 스프링 k₃ = 20 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 12 kN/m, k₂ = 50 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 132.6 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

반응 거리

d1 = v₀·tr = 27.78·1.3 = 36.11 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·4) = 96.45 m

합계

d = 36.11 + 96.45 = 132.6 m

답

d = 132.6 m
2.운동학

답: s = 125.6 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 = 1·5 = 5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·1·5² = 12.5 m
s2 = 5·22 = 110 m
s3 = 5²/(2·4) = 3.125 m

총거리

s = 12.5 + 110 + 3.125 = 125.6 m

답

s = 125.6 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1538

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) = 6.5²/(2·14) = 1.509 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.509/9.81 = 0.1538

답

μ = 0.1538
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.717 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) = (24.53 − 7.357)/10 = 1.717 m/s²

답

a = 1.717 m/s²
5.포물선 운동

답: H = 26.81 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 = 28·cos 55° = 16.06 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 55° = 22.94 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 22.94²/(2·9.81) = 26.81 m

답

H = 26.81 m
6.포물선 운동

답: x = 51.02 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 = 17·cos 25° = 15.41 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 25° = 7.185 m/s

체공 시간

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

0 = 30 + 7.185·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7.185 + √(51.62 + 588.6))/9.81 = 3.312 s

수평 거리

x = vx·t = 15.41·3.312 = 51.02 m

답

x = 51.02 m
7.원운동

답: n = 19.11 rpm

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/(0.7·3.5)) = 2.001 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 19.11 rpm

답

n = 19.11 rpm
8.원운동

답: Ttop = 65.92 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 = 51.01 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.6·51.01/1 − 1.6·9.81 = 65.92 N

답

Ttop = 65.92 N
9.일과 에너지

답: Wf = 88.91 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 = 24.53·0.9063 = 22.23 N
F = μN = 0.25·22.23 = 5.557 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 5.557·16 = 88.91 J

답

Wf = 88.91 J
10.일과 에너지

답: v = 8.749 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 = 6.71 N
μ·mg·cos θ = 5.531 N

일–에너지

½mv² = (25 − 12.24)·6 = 76.55 J
v = √(2·76.55/2) = 8.749 m/s

답

v = 8.749 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 870.2 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) = √(2·9.81·0.24) = 2.17 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 2)·2.17/0.005 = 870.2 m/s

답

v = 870.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 13.66 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 = 1600·14 = 22400 kg·m/s
py = 1700·23 = 39100 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 45062/3300 = 13.66 m/s

답

v′ = 13.66 m/s
13.강체의 회전

답: a = 3.481 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) = 5.5·9.81/(5.5 + 10) = 3.481 m/s²

답

a = 3.481 m/s²
14.강체의 회전

답: φ = 61.57 °

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 = 7·1.4²/3 + 0.04·0.91² = 4.606 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.04·420·0.91/4.606 = 3.319 rad/s

흔들리는 동안의 에너지

½·I·ω² = ½·4.606·3.319² = 25.37 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 48.43·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 25.37/48.43 = 0.4761 → φ = 61.57°

답

φ = 61.57°
15.기어와 기어열

답: Ft = 439 N

기어의 기하: 모듈 m이 이의 크기를 정합니다. 잇수 N인 기어의 피치원 지름은 d = m·N이고, 맞물리는 두 기어는 모듈이 같으며, 중심 거리는 a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2입니다. 피치원 속도는 v = π·d·n/60이고, 접선 방향 치면력은 토크에서 나옵니다: Ft = 2T/d.

피니언의 토크

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 4000/303.7 = 13.17 N·m

피치원 지름

d = m·N = 3·20 = 60 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·13.17/0.06 = 439 N

답

Ft = 439 N
16.기어와 기어열

답: θ = 168.5 °

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(0.1) = 5.739°

접촉각

θ = 180 − 2·5.739 = 168.5°

답

θ = 168.5°
17.용수철과 진자

답: L = 0.7181 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·(1.7/2π)² = 0.7181 m

답

L = 0.7181 m
18.용수철과 진자

답: t = 0.1048 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/1.6 = 3.927 rad/s

시간에 대해 풀기

0.4 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.4) = 0.4115 rad
t = 0.4115/3.927 = 0.1048 s

답

t = 0.1048 s
19.기계 진동

답: ζ = 0.09994

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(50/26.6) = 0.6311

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6311/√(39.48 + 0.3983) = 0.09994

답

ζ = 0.09994
20.기계 진동

답: fn = 6.189 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 = 12 + 50 = 62 kN/m
keq = 62·20/(62 + 20) = 15.12 kN/m

고유 진동수

ωn = √(15122/10) = 38.89 rad/s
fn = 38.89/(2π) = 6.189 Hz

답

fn = 6.189 Hz

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