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)t = ?10

36 km/h로 달리던 자동차가 3 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
AB: 22 m/s50 m

공 A를 높이 50 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 22 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 50 mv0B = 22 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3.5 kg4.5 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 3.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 4.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
29 my = ?v0​ = 32 m/s55°

평지에서 공을 32 m/s, 수평 위 55°로 29 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 32 m/sθ = 55°x = 29 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 15 m/s20°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 15 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 1.7 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 1.7 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 1.7 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = 7 m/s

길이 0.5 m인 줄에 매단 질량 0.4 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 7 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgr = 0.5 mv = 7 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
20°d = 7 mμ = 0.15

블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 경사면을 따라 7 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°μ = 0.15d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 500 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 3 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
2.5 kgv = ?20 gh = 21 cm

20 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 21 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 gM = 2.5 kgh = 21 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1600 kg10 m/s1700 kg25 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 10 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 25 m/s로 달리던 1700 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 10 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 25 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
n = 800 rpmTb​ = 60 N·mI = 13.5 kg·m²

관성 모멘트가 13.5 kg·m²인 플라이휠이 800 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 60 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 13.5 kg·m²n = 800 rpmTb = 60 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
400 m/s5 g0.95 mL = 1.5 m1 kg

질량 1 kg, 길이 1.5 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 5 g의 총알이 수평으로 400 m/s로 날아와 회전축보다 0.95 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. 충돌 직후 막대의 각속도 ω을(를) 구하시오.

M = 1 kgL = 1.5 mm = 5 gv = 400 m/sd = 0.95 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20, m = 2 mm

960 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 20개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 4 kWn = 960 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 50C = 45D = 50

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 50개)를 구동한다. 기어 C(잇수 45개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 50개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 18B = 50C = 45D = 50
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.8 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
1.5 kgk = 40 N/mA = 12 cm

k = 40 N/m인 용수철에 매단 1.5 kg 물체를 평형 위치에서 12 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 1.5 kgk = 40 N/mA = 12 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
tx40 mm3주기12.9 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 40 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 12.9 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 40 mmx3 = 12.9 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 100k3​ = 12m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 12 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 5 kN/m, k₂ = 100 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 3.333 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.

단위

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/3 = 3.333 s

답

t = 3.333 s
2.운동학

답: t = 2.273 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

50 − ½g·t² = 22·t − ½g·t² → t = 50/22 = 2.273 s

답

t = 2.273 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.257 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 25° − 0.1·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.09063) = 3.257 m/s²

답

a = 3.257 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 24.14 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (44.15 − 8.584)/8 = 4.445 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3.5·4.445 + 8.584 = 24.14 N

답

T = 24.14 N
5.포물선 운동

답: y = 29.17 m

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

벽까지의 시간

vx = 32·cos 55° = 18.35 m/s
t = x/vx = 29/18.35 = 1.58 s

그 시각의 높이

y = 26.21·1.58 − ½·9.81·1.58² = 29.17 m

답

y = 29.17 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 2.84 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 = 15·cos 20° = 14.1 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 20° = 5.13 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 5.13·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5.13 + √(26.32 + 490.5))/9.81 = 2.84 s

답

t = 2.84 s
7.원운동

답: n = 25.65 rpm

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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.8·1.7)) = 2.686 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 25.65 rpm

답

n = 25.65 rpm
8.원운동

답: T = 43.12 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 = 0.4·9.81 + 0.4·7²/0.5 = 3.924 + 39.2 = 43.12 N

답

T = 43.12 N
9.일과 에너지

답: v = 5.255 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 = √(2·9.81·7·(0.342 − 0.15·0.9397)) = 5.255 m/s

답

v = 5.255 m/s
10.일과 에너지

답: x = 49.27 cm

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 = 24.53·(3 − 0.15·3.5) = 60.7 J

최대 압축량

½kx² = 60.7 → x = √(2·60.7/500) = 0.4927 m = 49.27 cm

답

x = 49.27 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 255.8 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 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.21) = 2.03 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 2.5)·2.03/0.02 = 255.8 m/s

답

v = 255.8 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 69.37 °

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 = 1600·10 = 16000 kg·m/s
py = 1700·25 = 42500 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 2.656 → θ = 69.37°

답

θ = 69.37°
13.강체의 회전

답: t = 18.85 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.

각속도

ω = 2π·800/60 = 83.78 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 60/13.5 = 4.444 rad/s²
t = ω/α = 83.78/4.444 = 18.85 s

답

t = 18.85 s
14.강체의 회전

답: ω = 2.518 rad/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.

충돌 후의 관성 모멘트

I = M·L²/3 + m·d² = 1·1.5²/3 + 0.005·0.95² = 0.7545 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.005·400·0.95/0.7545 = 2.518 rad/s

답

ω = 2.518 rad/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 1989 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 = 4000/100.5 = 39.79 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·20 = 40 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·39.79/0.04 = 1989 N

답

Ft = 1989 N
16.기어와 기어열

답: nout = 486 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 = 1500·18/50 = 540 rpm = nC

2단

nout = 540·45/50 = 486 rpm

답

nout = 486 rpm

전체 기어비 = 3.086 : 1

17.용수철과 진자

답: L = 1.948 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.8/2π)² = 1.948 m

답

L = 1.948 m
18.용수철과 진자

답: amax = 3.2 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.

각주파수

ω = √(40/1.5) = 5.164 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.12·5.164² = 3.2 m/s²

답

amax = 3.2 m/s²
19.기계 진동

답: ζ = 0.05993

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(40/12.9) = 0.3772

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3772/√(39.48 + 0.1423) = 0.05993

답

ζ = 0.05993
20.기계 진동

답: fn = 2.336 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 = 5 + 100 = 105 kN/m
keq = 105·12/(105 + 12) = 10.77 kN/m

고유 진동수

ωn = √(10769/50) = 14.68 rad/s
fn = 14.68/(2π) = 2.336 Hz

답

fn = 2.336 Hz

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