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)2.778 s22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 8 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 7 m/s10 m

지면에서 10 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 7 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 7 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 8 kg

질량 8 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 8 kgθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4.5 kg1.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 4.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s55°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 16 m/s50°v = ?

5 m 절벽 꼭대기에서 공을 16 m/s, 수평 위 50°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 16 m/sθ = 50°h = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.원운동보통
r = 70 m12 m/s

800 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 12 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 70 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 800 kgv = 12 m/sr = 70 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
R = 1.5 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 1.5 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 1.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
0.2 kgk = 500 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 500 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.2 kg 공을 올려놓고 스프링을 4 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgk = 500 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
3 kg1 kgμ = 0.2d = 0.5 m

3 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.2) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 1 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 0.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 1 kgμ = 0.2d = 0.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
5 kg3 m/s1 kg

3 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 5 kgm2 = 1 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kg13 m/s1000 kg15 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 13 m/s로 달리던 900 kg 자동차가 북쪽으로 15 m/s로 달리던 1000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgv1 = 13 m/s (E)m2 = 1000 kgv2 = 15 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1900 rpmP = 26 kW

축이 1900 rpm에서 26 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 26 kWn = 1900 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
1 m/sω

질량 10.5 kg의 균일한 원기둥이(가) 1 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 10.5 kgv = 1 m/sI = ½·m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20, m = 2.5 mm

1440 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 20개, 모듈 2.5 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 2.5 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 60C = 16D = 20

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 12개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 60개)를 구동한다. 기어 C(잇수 16개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 20개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1440 rpmA = 12B = 60C = 16D = 20
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.25 s

k = 190 N/m인 스프링에 매단 3.7 kg 질량을 양의 방향으로 8 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.25 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 190 N/mA = 8 cmt = 1.25 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
mk = 290 N/mA = 7 cmx = 5 cm

k = 290 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 7 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 5 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 290 N/mA = 7 cmx = 5 cm
U = J
19.기계 진동보통
tx12 mm2주기9.3 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 12 mm 다음 2주기 뒤에 최댓값 9.3 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 12 mmx2 = 9.3 mmn = 2
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 5m = 20 kg

20 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 5 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 5 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 30.86 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/(2·8) = 30.86 m

답

s = 30.86 m
2.운동학

답: hmax = 12.5 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 7²/(2·9.81) = 2.497 m

지면으로부터의 높이

hmax = 10 + 2.497 = 12.5 m

답

hmax = 12.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.803 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 40° − 0.2·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1532) = 4.803 m/s²

답

a = 4.803 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.717 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) = (14.71 − 4.415)/6 = 1.717 m/s²

답

a = 1.717 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 3.006 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 = 18·cos 55° = 10.32 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 55° = 14.74 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14.74/9.81 = 3.006 s

답

t = 3.006 s
6.포물선 운동

답: v = 18.82 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

초기 속도 분해

vx = 16·cos 50° = 10.28 m/s
vy0 = 16·sin 50° = 12.26 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(12.26² + 2·9.81·5) = 15.76 m/s

충돌 속력

v = √(10.28² + 15.76²) = 18.82 m/s

답

v = 18.82 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.원운동

답: N = 6202 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

꼭대기에서의 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 800·9.81 − 800·12²/70 = 7848 − 1646 = 6202 N

답

N = 6202 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: hmin = 3.75 m

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

꼭대기에서의 조건

m·g = m·v²/R → v² = g·R

에너지 보존

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·1.5 = 3.75 m

답

hmin = 3.75 m
9.일과 에너지

답: h = 0.2039 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 = 4 cm = 0.04 m
½kx² = ½·500·0.04² = 0.4 J

높이

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
h = ½kx²/(mg) = 0.4/1.962 = 0.2039 m

답

h = 0.2039 m
10.일과 에너지

답: v = 0.9905 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 9.81·0.5 = 4.905 J
μ·m₁g·d = 0.2·29.43·0.5 = 2.943 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 1.962 → v = √(2·1.962/4) = 0.9905 m/s

답

v = 0.9905 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 2 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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (5 − 1)/(5 + 1)·3 = 2 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1)·3 = 5 m/s

답

v′1 = 2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 10.01 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

운동량 성분

px = 900·13 = 11700 kg·m/s
py = 1000·15 = 15000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 19023/1900 = 10.01 m/s

답

v′ = 10.01 m/s
13.강체의 회전

답: T = 130.7 N·m

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

각속도

ω = 2π·1900/60 = 199 rad/s

토크

T = P/ω = 26000/199 = 130.7 N·m

답

T = 130.7 N·m
14.강체의 회전

답: p = 33.33 %

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·10.5·1² = 5.25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·5.25 = 2.625 J

회전 비율

p = 2.625/7.875·100% = c/(1 + c)·100% = 33.33%

답

p = 33.33 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: Ft = 397.9 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

피니언의 토크

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 1500/150.8 = 9.947 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2.5·20 = 50 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·9.947/0.05 = 397.9 N

답

Ft = 397.9 N
16.기어와 기어열

답: nout = 230.4 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 = 1440·12/60 = 288 rpm = nC

2단

nout = 288·16/20 = 230.4 rpm

답

nout = 230.4 rpm

전체 기어비 = 6.25 : 1

17.용수철과 진자

답: x = −7.142 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

각주파수

ω = √(190/3.7) = 7.166 rad/s
ω·t = 7.166·1.25 = 8.957 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 8·cos(8.957) = −7.142 cm

답

x = −7.142 cm
18.용수철과 진자

답: U = 0.3625 J

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·290·0.07² = 0.7105 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·290·0.05² = 0.3625 J

답

U = 0.3625 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.02028

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 = (1/2)·ln(12/9.3) = 0.1274

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1274/√(39.48 + 0.01624) = 0.02028

답

ζ = 0.02028
20.기계 진동

답: fn = 1.779 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

직렬 스프링은 같은 힘을 받고 처짐이 더해지므로 역수로 합성합니다: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/5 + 1/5 → keq = 5·5/(5 + 5) = 2.5 kN/m

고유 진동수

ωn = √(2500/20) = 11.18 rad/s
fn = 11.18/(2π) = 1.779 Hz

답

fn = 1.779 Hz

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