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)t = ?16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 3 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 14 m/s10 m

지면에서 10 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 = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 10 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 10 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 100 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sd = 100 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 30°블록v₀ = 7.5 m/s

블록을 밀어 30° 경사로 위로 7.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 7.5 m/sθ = 30°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
12 my = ?v0​ = 16 m/s70°

평지에서 공을 16 m/s, 수평 위 70°로 12 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 16 m/sθ = 70°x = 12 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 21 m/s45°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 21 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 2.9 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.9 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 2.9 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
r = 0.9 m11 m/svtop​ = ?

길이 0.9 m의 가벼운 줄에 매단 1.3 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 11 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.3 kgr = 0.9 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
30°d = 17 mμ = 0.1

질량 5 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 17 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 30°μ = 0.1d = 17 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 5 mμ = 0.25k = 5000 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 5 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 = 5 kgh = 3 mL = 5 mμ = 0.25k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
13 kg41 m/s7 kgv′2​ = ?

수평으로 27 m/s로 움직이던 20 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 13 kg 파편은 41 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 7 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 20 kgu = 27 m/sm1 = 13 kgv′1 = 41 m/sm2 = 7 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
17 m/s9 m/s

질량 0.45 kg인 공이 17 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 9 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 17 m/svout = 9 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 2000 rpmTb​ = 20 N·mI = 33 kg·m²

관성 모멘트가 33 kg·m²인 플라이휠이 2000 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 20 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 33 kg·m²n = 2000 rpmTb = 20 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 30°vs = 5.5 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 5.5 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°s = 5.5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm960 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 600 NP = ?

벨트가 120 mm 구동 풀리 위를 960 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 1500 N, 이완측 600 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 1500 NT2 = 600 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 15C = 25D = 40

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 12개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 15개)를 구동한다. 기어 C(잇수 25개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 40개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 12B = 15C = 25D = 40
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 0.8 m

단진자의 길이는 0.8 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 0.8 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
1 kgk = 460 N/m

k = 460 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 1 kgk = 460 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx15 mm1주기10.3 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 15 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 10.3 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 15 mmx1 = 10.3 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 15m = 50 kg

50 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 40 kN/m, k₂ = 15 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 5.556 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.

단위

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16.67/3 = 5.556 s

답

t = 5.556 s
2.운동학

답: t = 3.446 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.

−10 = 14·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 14·t − 10 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (14 + √(14² + 2·9.81·10))/9.81 = 3.446 s

답

t = 3.446 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.05097

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) = 10²/(2·100) = 0.5 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.5/9.81 = 0.05097

답

μ = 0.05097
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.551 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 30° + 0.15·cos 30°) = 6.179 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 7.5²/(2·6.179) = 4.551 m

답

d = 4.551 m
5.포물선 운동

답: y = 9.384 m

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

벽까지의 시간

vx = 16·cos 70° = 5.472 m/s
t = x/vx = 12/5.472 = 2.193 s

그 시각의 높이

y = 15.04·2.193 − ½·9.81·2.193² = 9.384 m

답

y = 9.384 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 59.95 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 = 21·cos 45° = 14.85 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 45° = 14.85 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 14.85·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.85 + √(220.5 + 392.4))/9.81 = 4.037 s

수평 거리

x = vx·t = 14.85·4.037 = 59.95 m

답

x = 59.95 m
7.원운동

답: n = 19.64 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/(0.8·2.9)) = 2.056 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 19.64 rpm

답

n = 19.64 rpm
8.원운동

답: Ttop = 111 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 = 11² − 4·9.81·0.9 = 85.68 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.3·85.68/0.9 − 1.3·9.81 = 111 N

답

Ttop = 111 N
9.일과 에너지

답: Wf = 72.21 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 = 49.05·0.866 = 42.48 N
F = μN = 0.1·42.48 = 4.248 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 4.248·17 = 72.21 J

답

Wf = 72.21 J
10.일과 에너지

답: x = 18.53 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 = 49.05·(3 − 0.25·5) = 85.84 J

최대 압축량

½kx² = 85.84 → x = √(2·85.84/5000) = 0.1853 m = 18.53 cm

답

x = 18.53 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 1 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 전 운동량

p = M·u = 20·27 = 540 kg·m/s

충돌 후 운동량

540 = 13·41 + 7·v′2
v′2 = (540 − 533)/7 = 1 m/s

답

v′2 = 1 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 11.7 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·(9 + 17) = 11.7 N·s

답

J = 11.7 N·s
13.강체의 회전

답: N = 5760 rev

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·2000/60 = 209.4 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·33·209.4² = 723771 J
θ = 723771/20 = 36189 rad

회전수

N = θ/2π = 5760 rev

답

N = 5760 rev
14.강체의 회전

답: v = 5.997 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 = 5.5·sin 30° = 2.75 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 = √(2·9.81·2.75/1.5) = 5.997 m/s

답

v = 5.997 m/s
15.기어와 기어열

답: P = 5.429 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 = 6.032 m/s

전력

P = (1500 − 600)·6.032 = 5429 W = 5.429 kW

답

P = 5.429 kW
16.기어와 기어열

답: nout = 480 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 = 960·12/15 = 768 rpm = nC

2단

nout = 768·25/40 = 480 rpm

답

nout = 480 rpm

전체 기어비 = 2 : 1

17.용수철과 진자

답: T = 1.794 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(0.8/9.81) = 1.794 s

답

T = 1.794 s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.4574 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 1·9.81/460 = 0.02133 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(460/1) = 21.45 rad/s
vmax = A·ω = 0.02133·21.45 = 0.4574 m/s

답

vmax = 0.4574 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.05972

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(15/10.3) = 0.3759

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3759/√(39.48 + 0.1413) = 0.05972

답

ζ = 0.05972
20.기계 진동

답: fn = 5.279 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 = 40 + 15 = 55 kN/m

고유 진동수

ωn = √(55000/50) = 33.17 rad/s
fn = 33.17/(2π) = 5.279 Hz

답

fn = 5.279 Hz

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