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)0.6 s15

54 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.6 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/htr = 0.6 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 15 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 15 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 15 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 19 kg

질량 19 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 19 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8 kg4.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 8 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 4.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/sθ = ?R = 125 m

평지에서 공을 36 m/s로 발사해 125 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 = 36 m/sR = 125 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 12 m/s40°H = ?

60 m 절벽 꼭대기에서 공을 12 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 12 m/sθ = 40°h = 60 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
θ = ?중심 방향60 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 50 m의 커브를 60 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 50 mv = 60 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
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
35°d = 9 mμ = 0.3

질량 4 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 9 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 35°μ = 0.3d = 9 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 75 N15°μ = 0.1515 kg

15 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 75 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 4 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 75 Nθ = 15°μ = 0.15d = 4 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1700 kg12 m/s1200 kg

12 m/s로 움직이는 1700 kg 자동차가 정지해 있는 1200 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1700 kgv1 = 12 m/sm2 = 1200 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
25 m/s20 m/s

질량 0.45 kg인 공이 25 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 20 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 50 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 25 m/svout = 20 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
11 kgaαM = 10 kgR = 0.4 m

질량 11 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 10 kg, 반지름 0.4 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 11 kgM = 10 kgR = 0.4 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.강체의 회전어려움
2.5 m/sω

질량 5 kg의 균일한 원기둥이(가) 2.5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 회전 운동 에너지 Erot을(를) 구하시오.

m = 5 kgv = 2.5 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.기어와 기어열보통
N1​ = 24, m = 2 mm

960 rpm으로 도는 22 kW 모터가 잇수 24개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 22 kWn = 960 rpmN1 = 24m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 50C = 32D = 72

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 30개)가 3000 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 50개)를 구동한다. 기어 C(잇수 32개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 72개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 3000 rpmA = 30B = 50C = 32D = 72
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 0.6 mT = 2.53 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.6 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.53 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.6 mT = 2.53 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
0.2 kgk = 60 N/m

k = 60 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 0.2 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 0.2 kgk = 60 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
k = 15 kN/mc = 280 N·s/mm = 15 kg

15 kg 질량이 강성 15 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 280 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 15 kgk = 15 kN/mc = 280 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 25k3​ = 25m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 25 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 25 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 24 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 = 54/3.6 = 15 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 15·0.6 = 9 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·7.5) = 15 m

합계

d = 9 + 15 = 24 m

답

d = 24 m
2.운동학

답: hmax = 31.47 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 = 15²/(2·9.81) = 11.47 m

지면으로부터의 높이

hmax = 20 + 11.47 = 31.47 m

답

hmax = 31.47 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.618 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 35° − 0.25·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.2048) = 3.618 m/s²

답

a = 3.618 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.904 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) = (44.15 − 7.848)/12.5 = 2.904 m/s²

답

a = 2.904 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 35.56 °

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 = 9.81·125/36² = 0.9462

위상각

2θ = 71.12° → θ = 35.56°

답

θ = 35.56°

다른 해는 90° − θ = 54.44°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 63.03 m

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

처음 수직 속력

vy = 12·sin 40° = 7.713 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 7.713²/(2·9.81) = 3.032 m

지면으로부터의 높이

H = 60 + 3.032 = 63.03 m

답

H = 63.03 m
7.원운동

답: θ = 29.52 °

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.

단위

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

경사각

tan θ = v²/(r·g) = 16.67²/(50·9.81) = 0.5663
θ = 29.52°

답

θ = 29.52°
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: Wf = 86.79 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 = 39.24·0.8192 = 32.14 N
F = μN = 0.3·32.14 = 9.643 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 9.643·9 = 86.79 J

답

Wf = 86.79 J
10.일과 에너지

답: v = 2.884 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 = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 38.09 N
μ·mg·cos θ = 21.32 N

일–에너지

½mv² = (75 − 59.41)·4 = 62.38 J
v = √(2·62.38/15) = 2.884 m/s

답

v = 2.884 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 50648 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) = 1700·12/2900 = 7.034 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1700·12² = 122400 J
Kafter = ½·2900·7.034² = 71752 J

잃은 에너지

ΔK = 122400 − 71752 = 50648 J

답

ΔK = 50648 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: J = 20.25 N·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 변화

J = m·Δv = 0.45·(20 + 25) = 20.25 N·s

답

J = 20.25 N·s
13.강체의 회전

답: a = 6.744 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) = 11·9.81/(11 + 5) = 6.744 m/s²

답

a = 6.744 m/s²
14.강체의 회전

답: Erot = 7.813 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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·5·2.5² = 15.63 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·15.63 = 7.813 J

답

Erot = 7.813 J
15.기어와 기어열

답: Ft = 9118 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·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 22000/100.5 = 218.8 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·24 = 48 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·218.8/0.048 = 9118 N

답

Ft = 9118 N
16.기어와 기어열

답: nout = 800 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 = 3000·30/50 = 1800 rpm = nC

2단

nout = 1800·32/72 = 800 rpm

답

nout = 800 rpm

전체 기어비 = 3.75 : 1

17.용수철과 진자

답: g = 3.701 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.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.6/2.53² = 3.701 m/s²

답

g = 3.701 m/s²
18.용수철과 진자

답: xmax = 6.54 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 = 0.2·9.81/60 = 0.0327 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.0654 m = 6.54 cm

답

xmax = 6.54 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.2951

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·√(15000·15) = 948.7 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 280/948.7 = 0.2951

답

ζ = 0.2951

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 2.906 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 = 25 + 25 = 50 kN/m
keq = 50·25/(50 + 25) = 16.67 kN/m

고유 진동수

ωn = √(16667/50) = 18.26 rad/s
fn = 18.26/(2π) = 2.906 Hz

답

fn = 2.906 Hz

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