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
경찰a = 5.5 m/s²자동차21 m/s

일정한 21 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 5.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 21 m/sapolice = 5.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 7 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 7 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 7 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
30 kg20°F = 190 Nμ = 0.4

30 kg 썰매를 수평 위 20° 방향의 로프로 190 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 30 kgF = 190 Nθ = 20°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg5.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 2.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?50°R = 45 m

평지에서 공을 수평 위 50°로 발사하자 45 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 50°R = 45 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 35 m/s40°x = ?

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 35 m/sθ = 40°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 60 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 60 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 = 60 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.7 mv = ?

길이 0.7 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 0.7 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
20°L = 0.8 m0.2 kg

0.2 kg 공이 길이 0.8 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 20°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgL = 0.8 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 4 mL = 3.5 mμ = 0.1k = 1500 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 4 mL = 3.5 mμ = 0.1k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4 kgv = ?5 gh = 9 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 9 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4 kgh = 9 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1000 kgv1​ = ?1100 kg

1000 kg 자동차가 주차된 1100 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 23 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1000 kgm2 = 1100 kgd = 23 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 2300 rpmTb​ = 120 N·mI = 25 kg·m²

관성 모멘트가 25 kg·m²인 플라이휠이 2300 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 120 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 25 kg·m²n = 2300 rpmTb = 120 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
5 m/sω

질량 0.5 kg의 속 빈 구이(가) 5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 0.5 kgv = 5 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
d1​ = 120 mmd2​ = 250 mm960 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

벨트가 120 mm 구동 풀리 위를 960 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 1200 N, 이완측 600 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
A = 16B = 80C = 45D = 48

1450 rpm의 3 kW 모터가 기어 A(잇수 16개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 80개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 45개)는 출력축의 기어 D(잇수 48개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 96%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 3 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 80C = 45D = 48ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
3.3 kgk = 250 N/mA = 6 cmx = 4 cm

k = 250 N/m인 스프링에 매단 3.3 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 6 cm로 진동한다. 평형점에서 4 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 3.3 kgk = 250 N/mA = 6 cmx = 4 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
1 kgk = 270 N/m

k = 270 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 1 kgk = 270 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
tx12 mm4주기1 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 12 mm 다음 4주기 뒤에 최댓값 1 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 12 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 50m = 10 kg

10 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 15 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 50 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 7.636 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·21/5.5 = 7.636 s

답

t = 7.636 s

그 순간 경찰차는 2v = 42 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 7.497 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 = 7²/(2·9.81) = 2.497 m

지면으로부터의 높이

hmax = 5 + 2.497 = 7.497 m

답

hmax = 7.497 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.894 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 190·sin 20° = 229.3 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 178.5 − 91.73
a = 86.82/30 = 2.894 m/s²

답

a = 2.894 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 18.55 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 − 2.453)/8 = 6.438 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2.5·6.438 + 2.453 = 18.55 N

답

T = 18.55 N
5.포물선 운동

답: v0 = 21.17 m/s

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

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·45/sin 100°) = 21.17 m/s

답

v0 = 21.17 m/s
6.포물선 운동

답: x = 128.7 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 = 35·cos 40° = 26.81 m/s
vy = v0·sin θ = 35·sin 40° = 22.5 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 22.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22.5 + √(506.1 + 98.1))/9.81 = 4.799 s

수평 거리

x = vx·t = 26.81·4.799 = 128.7 m

답

x = 128.7 m
7.원운동

답: vmax = 21.7 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) = √(0.8·9.81·60) = 21.7 m/s

답

vmax = 21.7 m/s (78.12 km/h)
8.원운동

답: vmin = 2.62 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) = √(9.81·0.7) = 2.62 m/s

답

vmin = 2.62 m/s
9.일과 에너지

답: T = 2.199 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.8·(1 − cos 20°) = 0.9466 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
T = mg + mv²/L = 1.962 + 0.2·0.9466/0.8 = 2.199 N

답

T = 2.199 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 2.199 N.

10.일과 에너지

답: x = 69.1 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 = 98.1·(4 − 0.1·3.5) = 358.1 J

최대 압축량

½kx² = 358.1 → x = √(2·358.1/1500) = 0.691 m = 69.1 cm

답

x = 69.1 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 1064 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) = √(2·9.81·0.09) = 1.329 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 4)·1.329/0.005 = 1064 m/s

답

v = 1064 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 39.9 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.8·9.81·23) = 19 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2100·19/1000 = 39.9 m/s

답

v1 = 39.9 m/s
(143.6 km/h)
13.강체의 회전

답: N = 961.7 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·2300/60 = 240.9 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·25·240.9² = 725142 J
θ = 725142/120 = 6043 rad

회전수

N = θ/2π = 961.7 rev

답

N = 961.7 rev
14.강체의 회전

답: p = 40 %

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 = ½·0.5·5² = 6.25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·6.25 = 4.167 J

회전 비율

p = 4.167/10.42·100% = c/(1 + c)·100% = 40%

답

p = 40 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: P = 3.619 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 = (1200 − 600)·6.032 = 3619 W = 3.619 kW

답

P = 3.619 kW
16.기어와 기어열

답: Tout = 97.11 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.

출력 회전 속도

nout = 1450·(16/80)·(45/48) = 271.9 rpm
ωout = 2π·271.9/60 = 28.47 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 3000·0.96² = 2765 W
Tout = Pout/ωout = 2765/28.47 = 97.11 N·m

답

Tout = 97.11 N·m
17.용수철과 진자

답: v = 0.3892 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 = √(250/3.3) = 8.704 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 8.704·√(0.06² − 0.04²) = 0.3892 m/s

답

v = 0.3892 m/s
18.용수철과 진자

답: xmax = 7.267 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 = 1·9.81/270 = 0.03633 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.07267 m = 7.267 cm

답

xmax = 7.267 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.09839

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 = (1/4)·ln(12/1) = 0.6212

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6212/√(39.48 + 0.3859) = 0.09839

답

ζ = 0.09839
20.기계 진동

답: keq = 11.54 kN/m

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 = 1/15 + 1/50 → keq = 15·50/(15 + 50) = 11.54 kN/m

답

keq = 11.54 kN/m

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