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)0.5 s10

36 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.5 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/htr = 0.5 sa = −4 m/s²
d = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 4 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 4 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
6 kg7 kgTF = 45 Nμ = 0.2

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 45 N이 앞쪽의 7 kg 블록을 끌고, 6 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 7 kgF = 45 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?75°R = 15 m

평지에서 공을 수평 위 75°로 발사하자 15 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 75°R = 15 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 18 m/s40°α = ?

20 m 절벽 꼭대기에서 공을 18 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 18 m/sθ = 40°h = 20 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
r = 115 m21 m/s

1200 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 21 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 115 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1200 kgv = 21 m/sr = 115 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 0.6 mv = 6 m/s

길이 0.6 m인 줄에 매단 질량 0.4 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 6 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgr = 0.6 mv = 6 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
100 km/h

평평한 도로를 100 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.4이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 100 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 1.5 mμ = 0.3k = 500 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 1 mL = 1.5 mμ = 0.3k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3 kgv = ?10 gh = 21 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 3 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 = 10 gM = 3 kgh = 21 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
11 m/s13 m/s

질량 0.1 kg인 공이 11 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 13 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 25 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.1 kgvin = 11 m/svout = 13 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
ω = ?L = 0.8 mm = 5.5 kg

질량 5.5 kg, 길이 0.8 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 때의 각속도 ω을(를) 구하시오.

m = 5.5 kgL = 0.8 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.강체의 회전어려움
0.9 m0.15 mn1​ = 30 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 2 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.9 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 3.5 kg·m²이다. 이들이 30 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.15 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 3.5 kg·m²m = 2 × 2 kgr1 = 0.9 mr2 = 0.15 mn1 = 30 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20N2​ = 24

1450 rpm으로 도는 1.1 kW 모터가 잇수 20개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 24개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 1.1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 24η = 95%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 30C = 18D = 20

1440 rpm의 2.2 kW 모터가 기어 A(잇수 18개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 30개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 18개)는 출력축의 기어 D(잇수 20개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 96%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 2.2 kWnin = 1440 rpmA = 18B = 30C = 18D = 20ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.9 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
1.7 kgk = 210 N/mA = 10 cm

k = 210 N/m인 용수철에 매단 1.7 kg 물체를 평형 위치에서 10 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 1.7 kgk = 210 N/mA = 10 cm
E = J
19.기계 진동보통
tx50 mm1주기34.3 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 34.3 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx1 = 34.3 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 100k2​ = 80m = 25 kg

25 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 100 kN/m, k₂ = 80 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 17.5 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

반응 거리

d1 = v₀·tr = 10·0.5 = 5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 10²/(2·4) = 12.5 m

합계

d = 5 + 12.5 = 17.5 m

답

d = 17.5 m
2.운동학

답: d = 70.61 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(4 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1372 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1372))/(2·4.905) = 3.794 s

깊이

d = ½·9.81·3.794² = 70.61 m

답

d = 70.61 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.512 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 20° − 0.2·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.1879) = 1.512 m/s²

답

a = 1.512 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.5 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) = (45 − 25.51)/13 = 1.5 m/s²

답

a = 1.5 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 17.16 m/s

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

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·15/sin 150°) = 17.16 m/s

답

v0 = 17.16 m/s
6.포물선 운동

답: α = 58.99 °

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

초기 속도 분해

vx = 18·cos 40° = 13.79 m/s
vy0 = 18·sin 40° = 11.57 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(11.57² + 2·9.81·20) = 22.94 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 22.94/13.79 → α = 58.99°

답

α = 58.99°
7.원운동

답: N = 7170 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.

꼭대기에서의 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 1200·9.81 − 1200·21²/115 = 11772 − 4602 = 7170 N

답

N = 7170 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: T = 27.92 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 + 0.4·6²/0.6 = 3.924 + 24 = 27.92 N

답

T = 27.92 N
9.일과 에너지

답: d = 98.32 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).

기본 단위의 속력

v = 100/3.6 = 27.78 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.4·9.81) = 98.32 m

답

d = 98.32 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 10.39 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 = 4.905·(1 − 0.3·1.5) = 2.698 J

최대 압축량

½kx² = 2.698 → x = √(2·2.698/500) = 0.1039 m = 10.39 cm

답

x = 10.39 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 611 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 = (0.01 + 3)·2.03/0.01 = 611 m/s

답

v = 611 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 2.4 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.1·(13 + 11) = 2.4 N·s

답

J = 2.4 N·s
13.강체의 회전

답: ω = 6.065 rad/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 = 5.5·9.81·0.4 = 21.58 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 5.5·0.8²/3 = 1.173 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 21.58 → ω = √(2·21.58/1.173) = 6.065 rad/s

답

ω = 6.065 rad/s
14.강체의 회전

답: n2 = 56.32 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 = 3.5 + 2·2·0.9² = 6.74 kg·m²
I2 = 3.5 + 2·2·0.15² = 3.59 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 30·6.74/3.59 = 56.32 rpm

답

n2 = 56.32 rpm

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

15.기어와 기어열

답: T2 = 8.258 N·m

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.

모터 토크

ω₁ = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/151.8 = 7.244 N·m

출력 토크

T2 = 7.244·24/20·0.95 = 8.258 N·m

답

T2 = 8.258 N·m
16.기어와 기어열

답: Tout = 24.9 N·m

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.

출력 회전 속도

nout = 1440·(18/30)·(18/20) = 777.6 rpm
ωout = 2π·777.6/60 = 81.43 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 2200·0.96² = 2028 W
Tout = Pout/ωout = 2028/81.43 = 24.9 N·m

답

Tout = 24.9 N·m
17.용수철과 진자

답: L = 2.09 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·(2.9/2π)² = 2.09 m

답

L = 2.09 m
18.용수철과 진자

답: E = 1.05 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 = √(210/1.7) = 11.11 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·210·0.1² = 1.05 J

답

E = 1.05 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.05987

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(50/34.3) = 0.3769

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3769/√(39.48 + 0.142) = 0.05987

답

ζ = 0.05987
20.기계 진동

답: fn = 13.5 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 = 100 + 80 = 180 kN/m

고유 진동수

ωn = √(180000/25) = 84.85 rad/s
fn = 84.85/(2π) = 13.5 Hz

답

fn = 13.5 Hz

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