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 = ?12.5

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

v₀ = 45 km/ha = −3 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)8 s

트램이 정지 상태에서 출발해 8 s 동안 3 m/s²로 가속한 다음, 15 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 3 m/s²t1 = 8 st2 = 15 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
5 kg15°F = 30 Nμ = 0.4

5 kg 썰매를 수평 위 15° 방향의 로프로 30 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 5 kgF = 30 Nθ = 15°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
8 kg1 kgTF = 110 Nμ = 0.25

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 110 N이 앞쪽의 1 kg 블록을 끌고, 8 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 1 kgF = 110 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/s20°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 36 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
14 mv0​ = 36 m/s50°x = ?

지면에서 공을 36 m/s, 수평 위 50°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 14 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 36 m/sθ = 50°hroof = 14 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 80 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 80 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 80 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.5 m9.5 m/svtop​ = ?

길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매단 0.7 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 0.5 mvbottom = 9.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
36 km/h4°1500 kg

1500 kg 자동차가 4° 경사로를 일정한 36 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 700 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1500 kgθ = 4°Fr = 700 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
8 kg5 kgμ = 0.2d = 1.5 m

8 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.2) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 5 kgμ = 0.2d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
700 kg20 m/s1200 kg

20 m/s로 움직이는 700 kg 자동차가 정지해 있는 1200 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 700 kgv1 = 20 m/sm2 = 1200 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2.5 kgv = ?5 g40°L = 0.5 m

5 g 총알을 길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 2.5 kgL = 0.5 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
L = 2.6 mm = 7 kgα

질량 7 kg, 길이 2.6 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후의 각가속도 α을(를) 구하시오.

m = 7 kgL = 2.6 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.강체의 회전어려움
3 m/sω

질량 6.5 kg의 얇은 후프이(가) 3 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 6.5 kgv = 3 m/sI = m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
N1​ = 72N2​ = 80

2900 rpm으로 도는 1.1 kW 모터가 잇수 72개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 80개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 1.1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 72N2 = 80η = 95%
T1 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 30C = 20D = 60

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 3000 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 30개)를 구동한다. 기어 C(잇수 20개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 60개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 3000 rpmA = 18B = 30C = 20D = 60
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.05 s

k = 290 N/m인 스프링에 매단 3.6 kg 질량을 양의 방향으로 13 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.05 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.6 kgk = 290 N/mA = 13 cmt = 0.05 s
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
3.5 kgk = 330 N/mA = 10 cm

k = 330 N/m인 용수철에 매단 3.5 kg 물체를 평형 위치에서 10 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgk = 330 N/mA = 10 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 40 kN/mc = 1260 N·s/mm = 250 kg

250 kg 질량이 강성 40 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 1260 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 250 kgk = 40 kN/mc = 1260 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 5m = 5 kg

5 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 30 kN/m, k₂ = 5 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 4.167 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 12.5/3 = 4.167 s

답

t = 4.167 s
2.운동학

답: s = 571.2 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 3·8 = 24 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·3·8² = 96 m
s2 = 24·15 = 360 m
s3 = 24²/(2·2.5) = 115.2 m

총거리

s = 96 + 360 + 115.2 = 571.2 m

답

s = 571.2 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.493 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 49.05 − 30·sin 15° = 41.29 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 28.98 − 16.51
a = 12.46/5 = 2.493 m/s²

답

a = 2.493 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 9.77 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) = (110 − 22.07)/9 = 9.77 m/s²

답

a = 9.77 m/s²
5.포물선 운동

답: H = 7.727 m

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 = 36·cos 20° = 33.83 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 20° = 12.31 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 12.31²/(2·9.81) = 7.727 m

답

H = 7.727 m
6.포물선 운동

답: x = 117 m

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

초기 속도 분해

vx = 23.14 m/s, vy = 27.58 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

14 = 27.58·t − 4.905·t²
t = (27.58 + √(27.58² − 2·9.81·14))/9.81 = 5.058 s

수평 거리

x = vx·t = 23.14·5.058 = 117 m

답

x = 117 m
7.원운동

답: vmax = 17.72 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) = √(0.4·9.81·80) = 17.72 m/s

답

vmax = 17.72 m/s (63.78 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 92.01 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 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 9.5² − 4·9.81·0.5 = 70.63 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.7·70.63/0.5 − 0.7·9.81 = 92.01 N

답

Ttop = 92.01 N
9.일과 에너지

답: P = 17.26 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 1500·9.81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 4° = 1026 N
F = 1026 + 700 = 1726 N

전력

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 1726·10 = 17265 W = 17.26 kW

답

P = 17.26 kW
10.일과 에너지

답: v = 2.774 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 = 49.05·1.5 = 73.58 J
μ·m₁g·d = 0.2·78.48·1.5 = 23.54 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 50.03 → v = √(2·50.03/13) = 2.774 m/s

답

v = 2.774 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 88421 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 700·20/1900 = 7.368 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·700·20² = 140000 J
Kafter = ½·1900·7.368² = 51579 J

잃은 에너지

ΔK = 140000 − 51579 = 88421 J

답

ΔK = 88421 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 759 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) = 0.5·(1 − cos 40°) = 0.117 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.117) = 1.515 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.505·1.515/0.005 = 759 m/s

답

v = 759 m/s
13.강체의 회전

답: α = 5.66 rad/s²

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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·2.6) = 5.66 rad/s²

답

α = 5.66 rad/s²
14.강체의 회전

답: p = 50 %

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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·6.5·3² = 29.25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·29.25 = 29.25 J

회전 비율

p = 29.25/58.5·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

답

p = 50 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: T1 = 3.622 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303.7 = 3.622 N·m

답

T1 = 3.622 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 600 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 = 3000·18/30 = 1800 rpm = nC

2단

nout = 1800·20/60 = 600 rpm

답

nout = 600 rpm

전체 기어비 = 5 : 1

17.용수철과 진자

답: v = −0.5062 m/s

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 = √(290/3.6) = 8.975 rad/s
ω·t = 8.975·0.05 = 0.4488 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.13·8.975·sin(0.4488) = −0.5062 m/s

답

v = −0.5062 m/s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.971 m/s

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 = √(330/3.5) = 9.71 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.1·9.71 = 0.971 m/s

답

vmax = 0.971 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.1992

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·√(40000·250) = 6325 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 1260/6325 = 0.1992

답

ζ = 0.1992

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: keq = 35 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

나란히 놓인 스프링은 처짐이 같고 힘이 더해지므로 강성을 그냥 더합니다: k = k1 + k2.

keq = 30 + 5 = 35 kN/m

답

keq = 35 kN/m

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