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 = 2 m/s²자동차24 m/s

일정한 24 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 24 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s10 m

지면에서 10 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 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 = 8 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
8 kg1.5 kg

8 kg과 1.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 1.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8.5 kg5.5 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 8.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8.5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 12 m/s40°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 12 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 23 m/s55°x = ?

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 23 m/sθ = 55°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
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 = 10°중심 방향vmax​ = ?

반지름 80 m인 커브가 10° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 80 mθ = 10°μs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 2 mμ = 0.4

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. 경사면을 따라 2 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.4d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
F = 215 N30°μ = 0.2515 kg

15 kg 블록이 30° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 215 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 4 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 215 Nθ = 30°μ = 0.25d = 4 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
9 kg76 m/s1 kgv′2​ = ?

수평으로 25 m/s로 움직이던 10 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 9 kg 파편은 76 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 1 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 10 kgu = 25 m/sm1 = 9 kgv′1 = 76 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
18 m/s6 m/s

질량 0.2 kg인 공이 18 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 6 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 18 m/svout = 6 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
15 kgaαM = 17.5 kgR = 0.4 m

질량 15 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 17.5 kg, 반지름 0.4 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 15 kgM = 17.5 kgR = 0.4 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.강체의 회전어려움
0.6 m0.3 mn1​ = 50 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 4 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.6 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 2 kg·m²이다. 이들이 50 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.3 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 2 kg·m²m = 2 × 4 kgr1 = 0.6 mr2 = 0.3 mn1 = 50 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 30, m = 4 mm

960 rpm으로 도는 15 kW 모터가 잇수 30개, 모듈 4 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 15 kWn = 960 rpmN1 = 30m = 4 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 36C = 48D = 80

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 30개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 48개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 80개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1440 rpmA = 30B = 36C = 48D = 80
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
0.8 kgk = 20 N/mA = 9 cmx = 6 cm

k = 20 N/m인 스프링에 매단 0.8 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 9 cm로 진동한다. 평형점에서 6 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgk = 20 N/mA = 9 cmx = 6 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
1.4 kgk = 140 N/mA = 6 cm

k = 140 N/m인 용수철에 매단 1.4 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 1.4 kgk = 140 N/mA = 6 cm
E = J
19.기계 진동보통
k = 150 kN/mc = 390 N·s/mm = 40 kg

40 kg 질량이 강성 150 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 390 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 40 kgk = 150 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 100m = 40 kg

40 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 5 kN/m, k₂ = 100 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 24 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 = 2·24/2 = 24 s

답

t = 24 s

그 순간 경찰차는 2v = 48 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: t = 2.46 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.

−10 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 10 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·10))/9.81 = 2.46 s

답

t = 2.46 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 6.712 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (8 − 1.5)·9.81/(8 + 1.5) = 6.712 m/s²

답

a = 6.712 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.067 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) = (53.96 − 25.02)/14 = 2.067 m/s²

답

a = 2.067 m/s²
5.포물선 운동

답: H = 3.032 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 = 12·cos 40° = 9.193 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 40° = 7.713 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 7.713²/(2·9.81) = 3.032 m

답

H = 3.032 m
6.포물선 운동

답: x = 56.91 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 = 23·cos 55° = 13.19 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 55° = 18.84 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 18.84·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18.84 + √(355 + 196.2))/9.81 = 4.314 s

수평 거리

x = vx·t = 13.19·4.314 = 56.91 m

답

x = 56.91 m
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 = 22.06 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.

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 = √(80·9.81·0.5676/0.9153) = 22.06 m/s

답

vmax = 22.06 m/s
(79.41 km/h)
9.일과 에너지

답: v = 2.455 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·2·(0.5 − 0.4·0.866)) = 2.455 m/s

답

v = 2.455 m/s
10.일과 에너지

답: v = 7.644 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 73.57 N
μ·mg·cos θ = 31.86 N

일–에너지

½mv² = (215 − 105.4)·4 = 438.3 J
v = √(2·438.3/15) = 7.644 m/s

답

v = 7.644 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −434 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 = 10·25 = 250 kg·m/s

충돌 후 운동량

250 = 9·76 + 1·v′2
v′2 = (250 − 684)/1 = −434 m/s

답

v′2 = −434 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 120 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 = 0.2·(6 + 18) = 4.8 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4.8/0.04 = 120 N

답

Favg = 120 N
13.강체의 회전

답: T = 54.21 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) = 15·9.81/(15 + 8.75) = 6.196 m/s²

장력

T = m·(g − a) = 15·(9.81 − 6.196) = 54.21 N

답

T = 54.21 N
14.강체의 회전

답: n2 = 89.71 rpm

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.

관성 모멘트

I1 = 2 + 2·4·0.6² = 4.88 kg·m²
I2 = 2 + 2·4·0.3² = 2.72 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 50·4.88/2.72 = 89.71 rpm

답

n2 = 89.71 rpm

운동 에너지가 증가합니다. 늘어난 에너지는 사람이 아령을 끌어당기며 한 일에서 나옵니다.

15.기어와 기어열

답: Ft = 2487 N

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.

피니언의 토크

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 15000/100.5 = 149.2 N·m

피치원 지름

d = m·N = 4·30 = 120 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·149.2/0.12 = 2487 N

답

Ft = 2487 N
16.기어와 기어열

답: nout = 720 rpm

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.

1단

nB = 1440·30/36 = 1200 rpm = nC

2단

nout = 1200·48/80 = 720 rpm

답

nout = 720 rpm

전체 기어비 = 2 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.3354 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 = √(20/0.8) = 5 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 5·√(0.09² − 0.06²) = 0.3354 m/s

답

v = 0.3354 m/s
18.용수철과 진자

답: E = 0.252 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.

각주파수

ω = √(140/1.4) = 10 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·140·0.06² = 0.252 J

답

E = 0.252 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.07961

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·√(150000·40) = 4899 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 390/4899 = 0.07961

답

ζ = 0.07961

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 8.154 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 = 5 + 100 = 105 kN/m

고유 진동수

ωn = √(105000/40) = 51.23 rad/s
fn = 51.23/(2π) = 8.154 Hz

답

fn = 8.154 Hz

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