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)2.5 s10

36 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)9 s

트램이 정지 상태에서 출발해 9 s 동안 1.5 m/s²로 가속한 다음, 20 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 총 이동 시간 t을(를) 구하시오.

a1 = 1.5 m/s²t1 = 9 st2 = 20 sa3 = −4 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 12 kg

질량 12 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 12 kgθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
4 kg3 kgTF = 90 Nμ = 0.3

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 90 N이 앞쪽의 3 kg 블록을 끌고, 4 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 3 kgF = 90 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
8 my = ?v0​ = 12 m/s35°

평지에서 공을 12 m/s, 수평 위 35°로 8 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 12 m/sθ = 35°x = 8 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 27 m/s20°수평 도달 거리

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 27 m/sθ = 20°h = 60 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
θ = ?중심 방향50 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 100 m의 커브를 50 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 100 mv = 50 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.원운동어려움
r = 1.5 mv = 7 m/s

길이 1.5 m인 줄에 매단 질량 1.7 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 7 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.7 kgr = 1.5 mv = 7 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
35°d = 7 mμ = 0.3

질량 4 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 7 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 35°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
k = 800 N/m15°μ = 0.15 kg

15° 경사면 아래에 있는 강성 800 N/m인 스프링을 5 kg 블록으로 20 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 5 kgk = 800 N/mx = 20 cmθ = 15°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
0.5 kg6 m/s4.5 kg

6 m/s로 움직이는 질량 0.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 0.5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
4 kgv = ?5 g10°L = 0.6 m

5 g 총알을 길이 0.6 m의 가벼운 줄에 매달린 4 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 10°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4 kgL = 0.6 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
v = ?L = 1.9 mm = 5 kg

질량 5 kg, 길이 1.9 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 = 5 kgL = 1.9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.강체의 회전어려움
원판: 5 kg고리: 10 kgn1​ = 1050 rpm

균일한 원판(질량 5 kg, 반지름 0.5 m)이 마찰 없는 수직 축에서 1050 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 10 kg이고 반지름이 같은 얇은 고리를 정지 상태에서 축 중심에 맞춰 원판 위에 떨어뜨리면, 둘은 곧 함께 회전한다. 둘의 공통 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

Mdisc = 5 kgMring = 10 kgR = 0.5 mn1 = 1050 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 25, m = 2 mm

1440 rpm으로 도는 22 kW 모터가 잇수 25개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 22 kWn = 1440 rpmN1 = 25m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 16B = 30C = 50D = 60

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 16개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 30개)를 구동한다. 기어 C(잇수 50개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 60개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 16B = 30C = 50D = 60
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 0.9 mT = 3.09 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.9 m인 단진자의 작은 진동 주기가 3.09 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.9 mT = 3.09 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
1 kgk = 330 N/m

k = 330 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 1 kgk = 330 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
k = 25 kN/mc = 40 N·s/mm = 5 kg

5 kg 질량이 강성 25 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 40 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 5 kgk = 25 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 10k3​ = 100m = 100 kg

100 kg 질량이 스프링 k₃ = 100 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 10 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 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.

단위

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4) = 12.5 m

답

s = 12.5 m
2.운동학

답: t = 32.38 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 1.5·9 = 13.5 m/s

제동 시간

t3 = v/a3 = 13.5/4 = 3.375 s

총 시간

t = 9 + 20 + 3.375 = 32.38 s

답

t = 32.38 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.554 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° − 0.1·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.0766) = 5.554 m/s²

답

a = 5.554 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 9.914 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (90 − 20.6)/7 = 9.914 m/s²

답

a = 9.914 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 2.353 m

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

벽까지의 시간

vx = 12·cos 35° = 9.83 m/s
t = x/vx = 8/9.83 = 0.8138 s

그 시각의 높이

y = 6.883·0.8138 − ½·9.81·0.8138² = 2.353 m

답

y = 2.353 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.563 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 = 27·cos 20° = 25.37 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 20° = 9.235 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 9.235·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9.235 + √(85.28 + 1177))/9.81 = 4.563 s

답

t = 4.563 s
7.원운동

답: θ = 11.12 °

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.

단위

v = 50/3.6 = 13.89 m/s

경사각

tan θ = v²/(r·g) = 13.89²/(100·9.81) = 0.1966
θ = 11.12°

답

θ = 11.12°
8.원운동

답: T = 72.21 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 = 1.7·9.81 + 1.7·7²/1.5 = 16.68 + 55.53 = 72.21 N

답

T = 72.21 N
9.일과 에너지

답: Wf = 67.5 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 = 39.24·0.8192 = 32.14 N
F = μN = 0.3·32.14 = 9.643 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 9.643·7 = 67.5 J

답

Wf = 67.5 J
10.일과 에너지

답: d = 0.9178 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 = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·800·0.2² = 16 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 16/(49.05·(0.2588 + 0.1·0.9659)) = 0.9178 m

답

d = 0.9178 m
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 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 = (0.5 − 4.5)/(0.5 + 4.5)·6 = −4.8 m/s
v′2 = 2·0.5/(0.5 + 4.5)·6 = 1.2 m/s

답

v′2 = 1.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 338.7 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 0.6·(1 − cos 10°) = 0.009115 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.009115) = 0.4229 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.005·0.4229/0.005 = 338.7 m/s

답

v = 338.7 m/s
13.강체의 회전

답: v = 7.478 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 = 5·9.81·0.95 = 46.6 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 5·1.9²/3 = 6.017 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 46.6 → ω = √(2·46.6/6.017) = 3.936 rad/s
v = ω·L = 3.936·1.9 = 7.478 m/s

답

v = 7.478 m/s
14.강체의 회전

답: n2 = 210 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 = ½·5·0.5² = 0.625 kg·m²
I2 = 10·0.5² = 2.5 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 1050·0.625/3.125 = 210 rpm

답

n2 = 210 rpm
15.기어와 기어열

답: Ft = 5836 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 22000/150.8 = 145.9 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·25 = 50 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·145.9/0.05 = 5836 N

답

Ft = 5836 N
16.기어와 기어열

답: nout = 426.7 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 = 960·16/30 = 512 rpm = nC

2단

nout = 512·50/60 = 426.7 rpm

답

nout = 426.7 rpm

전체 기어비 = 2.25 : 1

17.용수철과 진자

답: g = 3.721 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 = 4π²·0.9/3.09² = 3.721 m/s²

답

g = 3.721 m/s²
18.용수철과 진자

답: xmax = 5.945 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 1·9.81/330 = 0.02973 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.05945 m = 5.945 cm

답

xmax = 5.945 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.05657

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·√(25000·5) = 707.1 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 40/707.1 = 0.05657

답

ζ = 0.05657

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 2.563 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

k1과 k2만 병렬입니다. 그 쌍이 k3와 직렬이므로 역수로 합성하세요.

k12 = 25 + 10 = 35 kN/m
keq = 35·100/(35 + 100) = 25.93 kN/m

고유 진동수

ωn = √(25926/100) = 16.1 rad/s
fn = 16.1/(2π) = 2.563 Hz

답

fn = 2.563 Hz

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