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 = 1800 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 1.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 1800 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 1.5 m/s²s = 1800 m
v = m/s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)11 s

트램이 정지 상태에서 출발해 11 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 20 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 11 st2 = 20 sa3 = −4.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°a = ?m = 14 kg

질량 14 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 14 kgθ = 30°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 10 kg6 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 10 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 6 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 6 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/s45°x = ?

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 31 m/s25°x = ?

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 31 m/sθ = 25°h = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
L = 2 m20°

길이 2 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 20°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 2 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
θ = 10°중심 방향vmax​ = ?

반지름 220 m인 커브가 10° 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 = 220 mθ = 10°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 14 mμ = 0.3

질량 10 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 14 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 30°μ = 0.3d = 14 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 4 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 4 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3.5 kgv = ?5 gh = 5 cm

5 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 3.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 5 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 3.5 kgh = 5 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
8 m/s10 m/s

질량 0.4 kg인 공이 8 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 10 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgvin = 8 m/svout = 10 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
L = 1.3 mm = 3 kgα

질량 3 kg, 길이 1.3 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후 핀이 막대에 가하는 수직 힘 R을(를) 구하시오.

m = 3 kgL = 1.3 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.강체의 회전어려움
3 m/sω

질량 10 kg의 얇은 후프이(가) 3 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 Ek을(를) 구하시오.

m = 10 kgv = 3 m/sI = m·r²
Ek = J
15.기어와 기어열보통
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

125 mm 풀리가 1450 rpm으로 돌며 미끄러짐 1.5 %인 벨트로 250 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 1450 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 1.5 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 800 mmθ = ?

평벨트가 160 mm 풀리와 500 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 800 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 160 mmd2 = 500 mmC = 800 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.4 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.4 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
3 kgk = 900 N/m250 m/s

250 m/s로 움직이는 8 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 3 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 900 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 8 gv = 250 m/sM = 3 kgk = 900 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
tx40 mm1주기15.4 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 40 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 15.4 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 40 mmx1 = 15.4 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 60m = 50 kg

50 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 12 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 60 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: v = 73.48 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) = √(2·1.5·1800) = 73.48 m/s

답

v = 73.48 m/s
(264.5 km/h)
2.운동학

답: s = 614.8 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 = 2·11 = 22 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·11² = 121 m
s2 = 22·20 = 440 m
s3 = 22²/(2·4.5) = 53.78 m

총거리

s = 121 + 440 + 53.78 = 614.8 m

답

s = 614.8 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.905 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 30° − 0·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0) = 4.905 m/s²

답

a = 4.905 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.146 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) = (58.86 − 24.53)/16 = 2.146 m/s²

답

a = 2.146 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 117.8 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 = 34·cos 45° = 24.04 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 45° = 24.04 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·24.04/9.81 = 4.901 s

수평 거리

x = vx·t = 24.04·4.901 = 117.8 m

답

x = 117.8 m
6.포물선 운동

답: x = 111.2 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 = 31·cos 25° = 28.1 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 25° = 13.1 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 13.1·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.1 + √(171.6 + 490.5))/9.81 = 3.959 s

수평 거리

x = vx·t = 28.1·3.959 = 111.2 m

답

x = 111.2 m
7.원운동

답: T = 2.75 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 2·sin 20° = 0.684 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0.684·9.81·tan 20°) = 1.563 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.684/1.563 = 2.75 s

답

T = 2.75 s
8.원운동

답: vmax = 29.02 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 = √(220·9.81·0.3706/0.9501) = 29.02 m/s

답

vmax = 29.02 m/s
(104.5 km/h)
9.일과 에너지

답: Wf = 356.8 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 = 98.1·0.866 = 84.96 N
F = μN = 0.3·84.96 = 25.49 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 25.49·14 = 356.8 J

답

Wf = 356.8 J
10.일과 에너지

답: x = 18.46 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·(4 − 0.15·3.5) = 68.18 J

최대 압축량

½kx² = 68.18 → x = √(2·68.18/4000) = 0.1846 m = 18.46 cm

답

x = 18.46 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 694.3 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) = √(2·9.81·0.05) = 0.9905 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 3.5)·0.9905/0.005 = 694.3 m/s

답

v = 694.3 m/s
12.운동량과 충돌

답: Favg = 1440 N

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 = 0.4·(10 + 8) = 7.2 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 7.2/0.005 = 1440 N

답

Favg = 1440 N
13.강체의 회전

답: R = 7.358 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.

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/(2·1.3) = 11.32 rad/s²

수직 방향의 힘

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 3·(9.81 − 7.357) = 7.358 N

답

R = 7.358 N

R = m·g/4이며 길이와 무관합니다.

14.강체의 회전

답: Ek = 90 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 = ½·10·3² = 45 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·45 = 45 J

합계

Ek = 45 + 45 = 90 J

답

Ek = 90 J
15.기어와 기어열

답: n2 = 714.1 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

1450·125/250 = 725 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 725·0.985 = 714.1 rpm

답

n2 = 714.1 rpm
16.기어와 기어열

답: θ = 155.5 °

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(0.2125) = 12.27°

접촉각

θ = 180 − 2·12.27 = 155.5°

답

θ = 155.5°
17.용수철과 진자

답: L = 0.487 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.4/2π)² = 0.487 m

답

L = 0.487 m
18.용수철과 진자

답: A = 3.844 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.008·250/3.008 = 0.6649 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(900/3.008) = 17.3 rad/s

진폭

A = V/ω = 0.6649/17.3 = 0.03844 m = 3.844 cm

답

A = 3.844 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.1502

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(40/15.4) = 0.9545

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9545/√(39.48 + 0.9111) = 0.1502

답

ζ = 0.1502
20.기계 진동

답: keq = 10 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 = 1/12 + 1/60 → keq = 12·60/(12 + 60) = 10 kN/m

답

keq = 10 kN/m

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