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)1.4 s27.78

100 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.4 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 6 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/htr = 1.4 sa = −6 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 30 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2.5 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 30 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 30 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
9.5 kg8 kg

9.5 kg과 8 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 8 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9.5 kg4.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 9.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 4.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
36 my = ?v0​ = 24 m/s60°

평지에서 공을 24 m/s, 수평 위 60°로 36 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 24 m/sθ = 60°x = 36 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 19 m/s30°α = ?

5 m 절벽 꼭대기에서 공을 19 m/s, 수평 위 30°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 19 m/sθ = 30°h = 5 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
r = 3.3 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 3.3 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 3.3 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
R = 7 mh = 31.5 m

0.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 31.5 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 7 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 31.5 mR = 7 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
15°d = 10 mμ = 0.1

질량 10 kg인 블록이 수평과 15°를 이루는 경사면을 10 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 15°μ = 0.1d = 10 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1.5 mL = 1.5 mμ = 0.1k = 2500 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1.5 mL = 1.5 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3.5 kgv = ?15 gh = 17 cm

15 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 3.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 17 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 3.5 kgh = 17 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
5 kgv = ?15 g20°L = 1.9 m

15 g 총알을 길이 1.9 m의 가벼운 줄에 매달린 5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 20°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 5 kgL = 1.9 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
n = 600 rpmTb​ = 80 N·mI = 9.5 kg·m²

관성 모멘트가 9.5 kg·m²인 플라이휠이 600 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 80 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 9.5 kg·m²n = 600 rpmTb = 80 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
원판: 9 kg고리: 2 kgn1​ = 950 rpm

균일한 원판(질량 9 kg, 반지름 0.4 m)이 마찰 없는 수직 축에서 950 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 2 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 = 9 kgMring = 2 kgR = 0.4 mn1 = 950 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 18, m = 2.5 mm

1450 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 18개, 모듈 2.5 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn = 1450 rpmN1 = 18m = 2.5 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 15B = 80C = 30D = 50

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 15개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 30개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 50개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 15B = 80C = 30D = 50
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
1.1 kgk = 40 N/mA = 11 cmx = 9 cm

k = 40 N/m인 스프링에 매단 1.1 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 11 cm로 진동한다. 평형점에서 9 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.1 kgk = 40 N/mA = 11 cmx = 9 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
mk = 210 N/mA = 14 cmx = 5 cm

k = 210 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 14 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 5 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 210 N/mA = 14 cmx = 5 cm
U = J
19.기계 진동보통
k = 40 kN/mζ = 0.45m = 15 kg

강성 40 kN/m인 스프링에 달린 15 kg 질량에 감쇠비 0.45을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 15 kgk = 40 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 20k3​ = 15m = 100 kg

100 kg 질량이 스프링 k₃ = 15 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 30 kN/m, k₂ = 20 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 = 30 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 103.2 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

단위

v₀ = 100/3.6 = 27.78 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 27.78·1.4 = 38.89 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·6) = 64.3 m

합계

d = 38.89 + 64.3 = 103.2 m

답

d = 103.2 m
2.운동학

답: t = 18.95 s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

동력 비행 단계

v₁ = 30·2.5 = 75 m/s
h₁ = ½·30·2.5² = 93.75 m

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (75 + √(75² + 2·9.81·93.75))/9.81 = 16.45 s
t = 2.5 + 16.45 = 18.95 s

답

t = 18.95 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 0.8409 m/s²

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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (9.5 − 8)·9.81/(9.5 + 8) = 0.8409 m/s²

답

a = 0.8409 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 29.96 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 − 0)/14 = 3.153 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9.5·3.153 + 0 = 29.96 N

답

T = 29.96 N
5.포물선 운동

답: y = 18.21 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.

벽까지의 시간

vx = 24·cos 60° = 12 m/s
t = x/vx = 36/12 = 3 s

그 시각의 높이

y = 20.78·3 − ½·9.81·3² = 18.21 m

답

y = 18.21 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: α = 39.83 °

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.

초기 속도 분해

vx = 19·cos 30° = 16.45 m/s
vy0 = 19·sin 30° = 9.5 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(9.5² + 2·9.81·5) = 13.72 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 13.72/16.45 → α = 39.83°

답

α = 39.83°
7.원운동

답: ω = 2.061 rad/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.7·3.3)) = 2.061 rad/s

답

ω = 2.061 rad/s
8.원운동

답: Nbottom = 49.05 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·31.5 = 618 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 0.5·618/7 + 4.905 = 49.05 N

답

Nbottom = 49.05 N
9.일과 에너지

답: Wf = 94.76 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 = 98.1·0.9659 = 94.76 N
F = μN = 0.1·94.76 = 9.476 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 9.476·10 = 94.76 J

답

Wf = 94.76 J
10.일과 에너지

답: x = 14.56 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 = 19.62·(1.5 − 0.1·1.5) = 26.49 J

최대 압축량

½kx² = 26.49 → x = √(2·26.49/2500) = 0.1456 m = 14.56 cm

답

x = 14.56 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 428 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 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.17) = 1.826 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 3.5)·1.826/0.015 = 428 m/s

답

v = 428 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 501.3 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.9·(1 − cos 20°) = 0.1146 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.1146) = 1.499 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 5.015·1.499/0.015 = 501.3 m/s

답

v = 501.3 m/s
13.강체의 회전

답: t = 7.461 s

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·600/60 = 62.83 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 80/9.5 = 8.421 rad/s²
t = ω/α = 62.83/8.421 = 7.461 s

답

t = 7.461 s
14.강체의 회전

답: n2 = 657.7 rpm

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.

관성 모멘트

I1 = ½·9·0.4² = 0.72 kg·m²
I2 = 2·0.4² = 0.32 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 950·0.72/1.04 = 657.7 rpm

답

n2 = 657.7 rpm
15.기어와 기어열

답: Ft = 439 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

피니언의 토크

ω = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T = P/ω = 1500/151.8 = 9.879 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2.5·18 = 45 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·9.879/0.045 = 439 N

답

Ft = 439 N
16.기어와 기어열

답: nout = 168.8 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 = 1500·15/80 = 281.3 rpm = nC

2단

nout = 281.3·30/50 = 168.8 rpm

답

nout = 168.8 rpm

전체 기어비 = 8.889 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.3814 m/s

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 = √(40/1.1) = 6.03 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 6.03·√(0.11² − 0.09²) = 0.3814 m/s

답

v = 0.3814 m/s
18.용수철과 진자

답: U = 0.2625 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·210·0.14² = 2.058 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·210·0.05² = 0.2625 J

답

U = 0.2625 J
19.기계 진동

답: fd = 7.34 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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(40000/15) = 51.64 rad/s
fn = 51.64/(2π) = 8.219 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 8.219·√(1 − 0.45²) = 7.34 Hz

답

fd = 7.34 Hz
20.기계 진동

답: fn = 1.71 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 = 30 + 20 = 50 kN/m
keq = 50·15/(50 + 15) = 11.54 kN/m

고유 진동수

ωn = √(11538/100) = 10.74 rad/s
fn = 10.74/(2π) = 1.71 Hz

답

fn = 1.71 Hz

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