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)5.556 s22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 14 m/s5 m

지면에서 5 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 = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 3 kg

질량 3 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 3 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 25°블록v₀ = 6.5 m/s

블록을 밀어 25° 경사로 위로 6.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 6.5 m/sθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 30 m/s35°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 19 m/s25°H = ?

10 m 절벽 꼭대기에서 공을 19 m/s, 수평 위 25°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 19 m/sθ = 25°h = 10 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 140 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 140 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 140 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.8 mv = 8 m/s

길이 0.8 m인 줄에 매단 질량 0.7 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 0.8 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
0.5 kgk = 2000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 2000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.5 kg 공을 올려놓고 스프링을 5 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgk = 2000 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 5 mμ = 0.25k = 4000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 3.5 mL = 5 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3 kg58 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 40 m/s로 움직이던 6 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 58 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 6 kgu = 40 m/sm1 = 3 kgv′1 = 58 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1400 kg19 m/s1000 kg14 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 19 m/s로 달리던 1400 kg 자동차가 북쪽으로 14 m/s로 달리던 1000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1400 kgv1 = 19 m/s (E)m2 = 1000 kgv2 = 14 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
L = 1.1 mm = 2 kgα

질량 2 kg, 길이 1.1 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후 자유단의 가속도 atip을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 1.1 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.강체의 회전어려움
5 m/sω

질량 1.5 kg의 균일한 구이(가) 5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 회전 운동 에너지 Erot을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgv = 5 m/sI = (2/5)·m·r²
Erot = J
15.기어와 기어열보통
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm2880 rpmn2​ = ?

100 mm 풀리가 2880 rpm으로 돌며 미끄러짐 2.5 %인 벨트로 250 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 2.5 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
Ns​ = 15nr​ = ?Np​ = 12캐리어 고정

유성 기어 장치에서 태양 기어의 잇수는 15개, 각 유성 기어의 잇수는 12개이다. 유성 캐리어는 고정되어 있고 태양 기어는 900 rpm으로 구동된다. 링 기어의 회전 속도 nr(크기)을(를) 구하시오.

Ns = 15Np = 12ns = 900 rpm
nr = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 1.8 mT = 4.37 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.8 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.37 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.8 mT = 4.37 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
mk = 410 N/mA = 5 cmx = 2 cm

k = 410 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 5 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 410 N/mA = 5 cmx = 2 cm
U = J
19.기계 진동보통
tx50 mm3주기19.5 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 19.5 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx3 = 19.5 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 15m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 60 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 15 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 61.73 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·4) = 61.73 m

답

s = 61.73 m
2.운동학

답: t = 3.175 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.

−5 = 14·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 14·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (14 + √(14² + 2·9.81·5))/9.81 = 3.175 s

답

t = 3.175 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.823 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° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

답

a = 4.823 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.196 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 25° + 0.1·cos 25°) = 5.035 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6.5²/(2·5.035) = 4.196 m

답

d = 4.196 m
5.포물선 운동

답: H = 15.09 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 = 30·cos 35° = 24.57 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 35° = 17.21 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 17.21²/(2·9.81) = 15.09 m

답

H = 15.09 m
6.포물선 운동

답: H = 13.29 m

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

처음 수직 속력

vy = 19·sin 25° = 8.03 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 8.03²/(2·9.81) = 3.286 m

지면으로부터의 높이

H = 10 + 3.286 = 13.29 m

답

H = 13.29 m
7.원운동

답: vmax = 31.01 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) = √(0.7·9.81·140) = 31.01 m/s

답

vmax = 31.01 m/s (111.6 km/h)
8.원운동

답: T = 62.87 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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 0.7·9.81 + 0.7·8²/0.8 = 6.867 + 56 = 62.87 N

답

T = 62.87 N
9.일과 에너지

답: h = 0.5097 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 = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·2000·0.05² = 2.5 J

높이

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
h = ½kx²/(mg) = 2.5/4.905 = 0.5097 m

답

h = 0.5097 m
10.일과 에너지

답: x = 14.86 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 = 19.62·(3.5 − 0.25·5) = 44.15 J

최대 압축량

½kx² = 44.15 → x = √(2·44.15/4000) = 0.1486 m = 14.86 cm

답

x = 14.86 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 22 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 = 6·40 = 240 kg·m/s

충돌 후 운동량

240 = 3·58 + 3·v′2
v′2 = (240 − 174)/3 = 22 m/s

답

v′2 = 22 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 27.76 °

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 = 1400·19 = 26600 kg·m/s
py = 1000·14 = 14000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.5263 → θ = 27.76°

답

θ = 27.76°
13.강체의 회전

답: atip = 14.71 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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.1) = 13.38 rad/s²

자유단의 가속도

atip = α·L = 13.38·1.1 = 14.71 m/s²

답

atip = 14.71 m/s²

atip = 1.5·g는 길이와 상관없이 성립합니다. 자유단은 떨어뜨린 돌보다 빨리 떨어집니다.

14.강체의 회전

답: Erot = 7.5 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 = ½·1.5·5² = 18.75 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·18.75 = 7.5 J

답

Erot = 7.5 J
15.기어와 기어열

답: n2 = 1123 rpm

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.

미끄러짐 없을 때의 속도

2880·100/250 = 1152 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 1152·0.975 = 1123 rpm

답

n2 = 1123 rpm
16.기어와 기어열

답: nr = 346.2 rpm

유성 기어 장치: 태양 기어, 링, 캐리어의 속도는 윌리스 식 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns로 연결됩니다. 캐리어에서 보면 장치는 유성 기어가 아이들 기어인 보통 기어열입니다. 한 요소를 고정하면 장치는 단일 감속비의 감속기가 됩니다.

링 기어 잇수

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·12 = 39

캐리어 고정일 때의 윌리스 식

nc = 0이면 태양 기어가 아이들 기어 역할을 하는 유성 기어를 통해 링을 구동합니다.

nr = −ns·Ns/Nr = −900·15/39 = −346.2 rpm
|nr| = 346.2 rpm

답

nr = 346.2 rpm

링은 태양 기어와 반대 방향으로 돕니다.

17.용수철과 진자

답: g = 3.721 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 = 4π²·1.8/4.37² = 3.721 m/s²

답

g = 3.721 m/s²
18.용수철과 진자

답: U = 0.082 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·410·0.05² = 0.5125 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·410·0.02² = 0.082 J

답

U = 0.082 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.04989

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 = (1/3)·ln(50/19.5) = 0.3139

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3139/√(39.48 + 0.09851) = 0.04989

답

ζ = 0.04989
20.기계 진동

답: keq = 12 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 = 1/60 + 1/15 → keq = 60·15/(60 + 15) = 12 kN/m

답

keq = 12 kN/m

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