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)2.564 s16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s30 m

지면에서 30 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 8 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 15°10 kgF = ?

10 kg 상자를 수평과 15°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4.5 kg9 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 4.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 9 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 9 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/s45°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 38 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 30 m/s60°H = ?

30 m 절벽 꼭대기에서 공을 30 m/s, 수평 위 60°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 30 m/sθ = 60°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 120 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 120 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 = 120 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.6 mv = 8 m/s

길이 0.6 m인 줄에 매단 질량 1.4 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.4 kgr = 0.6 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
40°d = 8 mμ = 0.3

질량 1 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 8 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 40°μ = 0.3d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
3 kg6 kgμ = 0.4d = 1 m

3 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.4) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 6 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 6 kgμ = 0.4d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
12 kg88 m/s5 kgv′2​ = ?

수평으로 38 m/s로 움직이던 17 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 12 kg 파편은 88 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 5 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 17 kgu = 38 m/sm1 = 12 kgv′1 = 88 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1100 kgv1​ = ?1400 kg

1100 kg 자동차가 주차된 1400 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 7 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1100 kgm2 = 1400 kgd = 7 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1800 rpmTb​ = 130 N·mI = 17 kg·m²

관성 모멘트가 17 kg·m²인 플라이휠이 1800 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 130 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 17 kg·m²n = 1800 rpmTb = 130 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 30°vs = 1.5 m

얇은 후프이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.1 m이다. 경사면을 따라 1.5 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 30°s = 1.5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.1 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

100 mm 풀리가 2880 rpm으로 돌며 미끄러짐 1 %인 벨트로 450 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 1 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 16B = 36C = 12D = 50

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 16개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 12개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 50개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 16B = 36C = 12D = 50
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.25 s

k = 320 N/m인 스프링에 매단 3 kg 질량을 양의 방향으로 10 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.25 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3 kgk = 320 N/mA = 10 cmt = 1.25 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
3.5 kgk = 1700 N/m450 m/s

450 m/s로 움직이는 10 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 3.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1700 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 10 gv = 450 m/sM = 3.5 kgk = 1700 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
tx25 mm1주기17.1 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 25 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 17.1 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 25 mmx1 = 17.1 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 20k2​ = 10m = 40 kg

40 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 20 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 10 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 21.37 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·6.5) = 21.37 m

답

s = 21.37 m
2.운동학

답: hmax = 33.26 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 = 8²/(2·9.81) = 3.262 m

지면으로부터의 높이

hmax = 30 + 3.262 = 33.26 m

답

hmax = 33.26 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 39.6 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 25.39 + 14.21 = 39.6 N

답

F = 39.6 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 48.35 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

줄 방향의 힘

m₂·g = 88.29 N
m₁·g·sin θ = 28.38 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (88.29 − 28.38 − 0)/13.5 = 4.438 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 9·(9.81 − 4.438) = 48.35 N

답

T = 48.35 N
5.포물선 운동

답: t = 5.478 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 = 38·cos 45° = 26.87 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 45° = 26.87 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·26.87/9.81 = 5.478 s

답

t = 5.478 s
6.포물선 운동

답: H = 64.4 m

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.

처음 수직 속력

vy = 30·sin 60° = 25.98 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 25.98²/(2·9.81) = 34.4 m

지면으로부터의 높이

H = 30 + 34.4 = 64.4 m

답

H = 64.4 m
7.원운동

답: vmax = 30.69 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) = √(0.8·9.81·120) = 30.69 m/s

답

vmax = 30.69 m/s (110.5 km/h)
8.원운동

답: T = 163.1 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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 1.4·9.81 + 1.4·8²/0.6 = 13.73 + 149.3 = 163.1 N

답

T = 163.1 N
9.일과 에너지

답: Wf = 18.04 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 = 9.81·0.766 = 7.515 N
F = μN = 0.3·7.515 = 2.254 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 2.254·8 = 18.04 J

답

Wf = 18.04 J
10.일과 에너지

답: v = 3.235 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 = 58.86·1 = 58.86 J
μ·m₁g·d = 0.4·29.43·1 = 11.77 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 47.09 → v = √(2·47.09/9) = 3.235 m/s

답

v = 3.235 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −82 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.

충돌 전 운동량

p = M·u = 17·38 = 646 kg·m/s

충돌 후 운동량

646 = 12·88 + 5·v′2
v′2 = (646 − 1056)/5 = −82 m/s

답

v′2 = −82 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 22.28 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.

충돌 후의 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·7) = 9.805 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2500·9.805/1100 = 22.28 m/s

답

v1 = 22.28 m/s
(80.22 km/h)
13.강체의 회전

답: N = 369.7 rev

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·1800/60 = 188.5 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·17·188.5² = 302010 J
θ = 302010/130 = 2323 rad

회전수

N = θ/2π = 369.7 rev

답

N = 369.7 rev
14.강체의 회전

답: ω = 27.12 rad/s

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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 1.5·sin 30° = 0.75 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9.81·0.75/2) = 2.712 m/s
ω = v/r = 2.712/0.1 = 27.12 rad/s

답

ω = 27.12 rad/s
15.기어와 기어열

답: n2 = 633.6 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

2880·100/450 = 640 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 640·0.99 = 633.6 rpm

답

n2 = 633.6 rpm
16.기어와 기어열

답: nout = 160 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 = 1500·16/36 = 666.7 rpm = nC

2단

nout = 666.7·12/50 = 160 rpm

답

nout = 160 rpm

전체 기어비 = 9.375 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 9.416 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 = √(320/3) = 10.33 rad/s
ω·t = 10.33·1.25 = 12.91 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(12.91) = 9.416 cm

답

x = 9.416 cm
18.용수철과 진자

답: A = 5.826 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.01·450/3.51 = 1.282 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1700/3.51) = 22.01 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.282/22.01 = 0.05826 m = 5.826 cm

답

A = 5.826 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.06034

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(25/17.1) = 0.3798

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3798/√(39.48 + 0.1442) = 0.06034

답

ζ = 0.06034
20.기계 진동

답: keq = 6.667 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 = 1/20 + 1/10 → keq = 20·10/(20 + 10) = 6.667 kN/m

답

keq = 6.667 kN/m

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