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)2.143 s15

54 km/h로 달리던 자동차가 7 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 11 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 11 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 11 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
20 kg25°F = 140 Nμ = 0.2

20 kg 썰매를 수평 위 25° 방향의 로프로 140 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 140 Nθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 7 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 7 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 7 m/sθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 10 m/s35°x = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 26 m/s45°수평 도달 거리

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 45°h = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
θ = ?중심 방향50 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 370 m의 커브를 50 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 370 mv = 50 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.원운동어려움
r = 1.2 mv = ?

길이 1.2 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1.2 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
60 km/h

평평한 도로를 60 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.6이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 60 km/hμ = 0.6g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
3 kg6 kgμ = 0.4d = 3 m

3 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.4) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 6 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 3 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 6 kgμ = 0.4d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2000 kg16 m/s1100 kg

16 m/s로 움직이는 2000 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 2000 kgv1 = 16 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
3 kgv = ?20 g30°L = 1.9 m

20 g 총알을 길이 1.9 m의 가벼운 줄에 매달린 3 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 gM = 3 kgL = 1.9 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
2.5 kgaαM = 14 kgR = 0.1 m

질량 2.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 14 kg, 반지름 0.1 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgM = 14 kgR = 0.1 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.강체의 회전어려움
θ = 40°vs = 10 m

얇은 후프이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 40°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.25 m이다. 경사면을 따라 10 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 40°s = 10 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.25 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 16, m = 2.5 mm

1440 rpm으로 도는 22 kW 모터가 잇수 16개, 모듈 2.5 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 22 kWn = 1440 rpmN1 = 16m = 2.5 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 45B = 60C = 15D = 72

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 45개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 60개)를 구동한다. 기어 C(잇수 15개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 72개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 45B = 60C = 15D = 72
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.15 s

k = 140 N/m인 스프링에 매단 1.9 kg 질량을 양의 방향으로 6 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.15 s에서의 속도 v(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 1.9 kgk = 140 N/mA = 6 cmt = 0.15 s
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
0.3 kgk = 290 N/m

k = 290 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 0.3 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgk = 290 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx25 mm5주기3.8 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 25 mm 다음 5주기 뒤에 최댓값 3.8 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 25 mmx5 = 3.8 mmn = 5
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 40k3​ = 5m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 5 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 50 kN/m, k₂ = 40 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 = 50 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 16.07 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 = 54/3.6 = 15 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·7) = 16.07 m

답

s = 16.07 m
2.운동학

답: t = 2.63 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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−5 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (11 + √(11² + 2·9.81·5))/9.81 = 2.63 s

답

t = 2.63 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.974 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 = 196.2 − 140·sin 25° = 137 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 126.9 − 27.41
a = 99.48/20 = 4.974 m/s²

답

a = 4.974 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.713 m

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.

감속도

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 20° + 0.2·cos 20°) = 5.199 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 7²/(2·5.199) = 4.713 m

답

d = 4.713 m
5.포물선 운동

답: x = 9.579 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 = 10·cos 35° = 8.192 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 35° = 5.736 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·5.736/9.81 = 1.169 s

수평 거리

x = vx·t = 8.192·1.169 = 9.579 m

답

x = 9.579 m
6.포물선 운동

답: t = 4.977 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 = 26·cos 45° = 18.38 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 45° = 18.38 m/s

체공 시간

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

0 = 30 + 18.38·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18.38 + √(338 + 588.6))/9.81 = 4.977 s

답

t = 4.977 s
7.원운동

답: θ = 3.042 °

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/(370·9.81) = 0.05315
θ = 3.042°

답

θ = 3.042°
8.원운동

답: vmin = 3.431 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1.2) = 3.431 m/s

답

vmin = 3.431 m/s
9.일과 에너지

답: d = 23.6 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16.67²/(2·0.6·9.81) = 23.6 m

답

d = 23.6 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 5.603 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 = 58.86·3 = 176.6 J
μ·m₁g·d = 0.4·29.43·3 = 35.32 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 141.3 → v = √(2·141.3/9) = 5.603 m/s

답

v = 5.603 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 90839 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) = 2000·16/3100 = 10.32 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·2000·16² = 256000 J
Kafter = ½·3100·10.32² = 165161 J

잃은 에너지

ΔK = 256000 − 165161 = 90839 J

답

ΔK = 90839 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 337.5 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) = 1.9·(1 − cos 30°) = 0.2546 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.2546) = 2.235 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 3.02·2.235/0.02 = 337.5 m/s

답

v = 337.5 m/s
13.강체의 회전

답: a = 2.582 m/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.

물체와 도르래

블록: m·g − T = m·a
도르래: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

가속도

a = m·g/(m + M/2) = 2.5·9.81/(2.5 + 7) = 2.582 m/s²

답

a = 2.582 m/s²
14.강체의 회전

답: ω = 31.76 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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 10·sin 40° = 6.428 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9.81·6.428/2) = 7.941 m/s
ω = v/r = 7.941/0.25 = 31.76 rad/s

답

ω = 31.76 rad/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 7295 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 = 2.5·16 = 40 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·145.9/0.04 = 7295 N

답

Ft = 7295 N
16.기어와 기어열

답: nout = 453.1 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 = 2900·45/60 = 2175 rpm = nC

2단

nout = 2175·15/72 = 453.1 rpm

답

nout = 453.1 rpm

전체 기어비 = 6.4 : 1

17.용수철과 진자

답: v = −0.4945 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 = √(140/1.9) = 8.584 rad/s
ω·t = 8.584·0.15 = 1.288 rad

속도

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.06·8.584·sin(1.288) = −0.4945 m/s

답

v = −0.4945 m/s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.3155 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 0.3·9.81/290 = 0.01015 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(290/0.3) = 31.09 rad/s
vmax = A·ω = 0.01015·31.09 = 0.3155 m/s

답

vmax = 0.3155 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.05986

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 = (1/5)·ln(25/3.8) = 0.3768

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3768/√(39.48 + 0.142) = 0.05986

답

ζ = 0.05986
20.기계 진동

답: fn = 1.549 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 = 50 + 40 = 90 kN/m
keq = 90·5/(90 + 5) = 4.737 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4737/50) = 9.733 rad/s
fn = 9.733/(2π) = 1.549 Hz

답

fn = 1.549 Hz

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