동역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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)0.6 s33.33

120 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.6 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/htr = 0.6 sa = −5.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 30 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 30 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 30 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°45 kgF = ?

45 kg 상자를 수평과 20°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 45 kgθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
8 kg6 kgTF = 90 Nμ = 0.2

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 90 N이 앞쪽의 6 kg 블록을 끌고, 8 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 6 kgF = 90 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 24 m/s60°x = ?

공을 평지에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
3 mv0​ = 18 m/s45°x = ?

지면에서 공을 18 m/s, 수평 위 45°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 3 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 18 m/sθ = 45°hroof = 3 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 110 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 110 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 110 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 8 mh = 36 m

2 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 36 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 8 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 36 mR = 8 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
40°d = 20 mμ = 0.35

질량 2 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 20 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.35이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 40°μ = 0.35d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 2500 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1000 kg18 m/s1900 kg

18 m/s로 움직이는 1000 kg 자동차가 정지해 있는 1900 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1000 kgv1 = 18 m/sm2 = 1900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2000 kg17 m/s900 kg10 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 17 m/s로 달리던 2000 kg 자동차가 북쪽으로 10 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 2000 kgv1 = 17 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 10 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
v = ?L = 0.7 mm = 9 kg

질량 9 kg, 길이 0.7 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 있고 수평 위치에서 정지 상태로 놓인다. 마찰은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 수직 위치를 지날 때 자유단의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 9 kgL = 0.7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.강체의 회전어려움
θ = 40°as = 6 m

얇은 후프이(가) 수평면과 40°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 6 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 40°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 6 m
t = s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 1, 1450 rpm

1450 rpm의 2.2 kW 모터가 줄 수 1인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 30개이고 구동 장치의 효율은 50%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 1Nw = 30n = 1450 rpmP = 2.2 kWη = 50%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

평벨트가 125 mm 풀리와 315 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 1000 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 125 mmd2 = 315 mmC = 1000 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
L = 0.6 mT = 1.45 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.6 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.45 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.6 mT = 1.45 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
mk = 80 N/mA = 10 cmx = 1 cm

k = 80 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 10 cm로 진동한다. 평형점에서 1 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 80 N/mA = 10 cmx = 1 cm
K = J
19.기계 진동보통
tx12 mm3주기0.7 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 12 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 0.7 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 12 mmx3 = 0.7 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 12m = 40 kg

40 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 30 kN/m, k₂ = 12 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 121 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 33.33·0.6 = 20 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·5.5) = 101 m

합계

d = 20 + 101 = 121 m

답

d = 121 m
2.운동학

답: hmax = 547.8 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.

동력 비행 단계

v₁ = 30·3 = 90 m/s
h₁ = ½·30·3² = 135 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 90²/(2·9.81) = 412.8 m
hmax = 135 + 412.8 = 547.8 m

답

hmax = 547.8 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 254.7 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 151 + 103.7 = 254.7 N

답

F = 254.7 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 51.43 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (90 − 27.47)/14 = 4.467 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 8·(4.467 + 1.962) = 51.43 N

답

T = 51.43 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: x = 50.85 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 = 24·cos 60° = 12 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 60° = 20.78 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·20.78/9.81 = 4.237 s

수평 거리

x = vx·t = 12·4.237 = 50.85 m

답

x = 50.85 m
6.포물선 운동

답: x = 29.69 m

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

초기 속도 분해

vx = 12.73 m/s, vy = 12.73 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

3 = 12.73·t − 4.905·t²
t = (12.73 + √(12.73² − 2·9.81·3))/9.81 = 2.333 s

수평 거리

x = vx·t = 12.73·2.333 = 29.69 m

답

x = 29.69 m
7.원운동

답: vmax = 20.78 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) = √(0.4·9.81·110) = 20.78 m/s

답

vmax = 20.78 m/s (74.79 km/h)
8.원운동

답: Ntop = 78.48 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.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·(36 − 2·8) = 392.4 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 2·392.4/8 − 19.62 = 78.48 N

답

Ntop = 78.48 N
9.일과 에너지

답: Wf = 105.2 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 = 19.62·0.766 = 15.03 N
F = μN = 0.35·15.03 = 5.26 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 5.26·20 = 105.2 J

답

Wf = 105.2 J
10.일과 에너지

답: v = 3.053 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 − 0.15·3.5) = 9.319 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·0.475) = 3.053 m/s

답

v = 3.053 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 106138 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1000·18/2900 = 6.207 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1000·18² = 162000 J
Kafter = ½·2900·6.207² = 55862 J

잃은 에너지

ΔK = 162000 − 55862 = 106138 J

답

ΔK = 106138 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: θ = 14.83 °

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 = 2000·17 = 34000 kg·m/s
py = 900·10 = 9000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.2647 → θ = 14.83°

답

θ = 14.83°
13.강체의 회전

답: v = 4.539 m/s

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.

잃은 위치 에너지

m·g·L/2 = 9·9.81·0.35 = 30.9 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 9·0.7²/3 = 1.47 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 30.9 → ω = √(2·30.9/1.47) = 6.484 rad/s
v = ω·L = 6.484·0.7 = 4.539 m/s

답

v = 4.539 m/s
14.강체의 회전

답: t = 1.951 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 40°/2 = 3.153 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·6/3.153) = 1.951 s

답

t = 1.951 s
15.기어와 기어열

답: Tw = 217.3 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 1450·1/30 = 48.33 rpm

출력 토크

ωw = 2π·48.33/60 = 5.061 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.5·2200/5.061 = 217.3 N·m

답

Tw = 217.3 N·m
16.기어와 기어열

답: θ = 169.1 °

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(0.095) = 5.451°

접촉각

θ = 180 − 2·5.451 = 169.1°

답

θ = 169.1°
17.용수철과 진자

답: g = 11.27 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 = 4π²·0.6/1.45² = 11.27 m/s²

답

g = 11.27 m/s²
18.용수철과 진자

답: K = 0.396 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 = ½·80·0.1² = 0.4 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·80·0.01² = 0.004 J

운동 에너지

K = 0.4 − 0.004 = 0.396 J

답

K = 0.396 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.1491

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(12/0.7) = 0.9472

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9472/√(39.48 + 0.8972) = 0.1491

답

ζ = 0.1491
20.기계 진동

답: fn = 5.157 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 = 30 + 12 = 42 kN/m

고유 진동수

ωn = √(42000/40) = 32.4 rad/s
fn = 32.4/(2π) = 5.157 Hz

답

fn = 5.157 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics