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
a = 1.5 m/s²s = 1500 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 1.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 1500 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 1.5 m/s²s = 1500 m
v = m/s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)12 s

트램이 정지 상태에서 출발해 12 s 동안 1.5 m/s²로 가속한 다음, 11 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 1.5 m/s²t1 = 12 st2 = 11 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 6.2 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5.5 m/sd = 6.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 15°블록v₀ = 12 m/s

블록을 밀어 15° 경사로 위로 12 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 = 12 m/sθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/s50°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 38 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 27 m/s30°수평 도달 거리

공을 높이 15 m인 절벽 위에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 27 m/sθ = 30°h = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 80 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 80 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 = 80 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 25°중심 방향vmax​ = ?

반지름 140 m인 커브가 25° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 140 mθ = 25°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
110 km/h

평평한 도로를 110 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 110 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 4000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1.5 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
17 kg89 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 31 m/s로 움직이던 20 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 17 kg 파편은 89 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 20 kgu = 31 m/sm1 = 17 kgv′1 = 89 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1600 kg23 m/s900 kg15 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 23 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 15 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 23 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 15 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
4.5 kgaαM = 20 kgR = 0.25 m

질량 4.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 20 kg, 반지름 0.25 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 4.5 kgM = 20 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.강체의 회전어려움
θ = 15°vs = 3 m

속 빈 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 15°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.05 m이다. 경사면을 따라 3 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 15°s = 3 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.05 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = ?N2​

두 평행축이 162 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 3 mm, 감속비 5 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 피니언의 잇수 N1은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 162 mmm = 3 mmi = 5
N1 =
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

평벨트가 80 mm 풀리와 500 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 1200 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 80 mmd2 = 500 mmC = 1200 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = 2 mT = 4.61 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 2 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.61 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 2 mT = 4.61 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
2 kgk = 130 N/mA = 16 cm

k = 130 N/m인 용수철에 매단 2 kg 물체를 평형 위치에서 16 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 130 N/mA = 16 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 50 kN/mc = 220 N·s/mm = 25 kg

25 kg 질량이 강성 50 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 220 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 25 kgk = 50 kN/mc = 220 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 50m = 40 kg

40 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 60 kN/m, k₂ = 50 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 67.08 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·1.5·1500) = 67.08 m/s

답

v = 67.08 m/s
(241.5 km/h)
2.운동학

답: s = 370.8 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 = 1.5·12 = 18 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·1.5·12² = 108 m
s2 = 18·11 = 198 m
s3 = 18²/(2·2.5) = 64.8 m

총거리

s = 108 + 198 + 64.8 = 370.8 m

답

s = 370.8 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2487

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) = 5.5²/(2·6.2) = 2.44 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.44/9.81 = 0.2487

답

μ = 0.2487
4.뉴턴 법칙

답: d = 20.65 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 15° + 0.1·cos 15°) = 3.487 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 12²/(2·3.487) = 20.65 m

답

d = 20.65 m
5.포물선 운동

답: H = 43.19 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 = 38·cos 50° = 24.43 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 50° = 29.11 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 29.11²/(2·9.81) = 43.19 m

답

H = 43.19 m
6.포물선 운동

답: t = 3.601 s

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 = 27·cos 30° = 23.38 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 30° = 13.5 m/s

체공 시간

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

0 = 15 + 13.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.5 + √(182.2 + 294.3))/9.81 = 3.601 s

답

t = 3.601 s
7.원운동

답: vmax = 25.06 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) = √(0.8·9.81·80) = 25.06 m/s

답

vmax = 25.06 m/s (90.2 km/h)
8.원운동

답: vmax = 31.77 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 아래를 향합니다.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(140·9.81·0.6039/0.8218) = 31.77 m/s

답

vmax = 31.77 m/s
(114.4 km/h)
9.일과 에너지

답: d = 67.98 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).

기본 단위의 속력

v = 110/3.6 = 30.56 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 30.56²/(2·0.7·9.81) = 67.98 m

답

d = 67.98 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 4.539 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 19.62·(1.5 − 0.1·4.5) = 20.6 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.05) = 4.539 m/s

답

v = 4.539 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −297.7 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 = 20·31 = 620 kg·m/s

충돌 후 운동량

620 = 17·89 + 3·v′2
v′2 = (620 − 1513)/3 = −297.7 m/s

답

v′2 = −297.7 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: θ = 20.15 °

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 = 1600·23 = 36800 kg·m/s
py = 900·15 = 13500 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.3668 → θ = 20.15°

답

θ = 20.15°
13.강체의 회전

답: T = 30.44 N

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) = 4.5·9.81/(4.5 + 10) = 3.044 m/s²

장력

T = m·(g − a) = 4.5·(9.81 − 3.044) = 30.44 N

답

T = 30.44 N
14.강체의 회전

답: ω = 60.47 rad/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 = 3·sin 15° = 0.7765 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.6667)
v = √(2·9.81·0.7765/1.667) = 3.023 m/s
ω = v/r = 3.023/0.05 = 60.47 rad/s

답

ω = 60.47 rad/s
15.기어와 기어열

답: N1 = 18

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.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·162/3 = 108

비율로 나누기

N1 = 108/(1 + 5) = 18

답

N1 = 18
16.기어와 기어열

답: θ = 159.8 °

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(0.175) = 10.08°

접촉각

θ = 180 − 2·10.08 = 159.8°

답

θ = 159.8°
17.용수철과 진자

답: g = 3.715 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 = 4π²·2/4.61² = 3.715 m/s²

답

g = 3.715 m/s²
18.용수철과 진자

답: vmax = 1.29 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 = √(130/2) = 8.062 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.16·8.062 = 1.29 m/s

답

vmax = 1.29 m/s
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.

임계 감쇠

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·25) = 2236 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 220/2236 = 0.09839

답

ζ = 0.09839

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 8.346 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 = 60 + 50 = 110 kN/m

고유 진동수

ωn = √(110000/40) = 52.44 rad/s
fn = 52.44/(2π) = 8.346 Hz

답

fn = 8.346 Hz

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