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)3.704 s27.78

100 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 9 m/s15 m

지면에서 15 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 9 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 = 9 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 17 kg

질량 17 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 17 kgθ = 35°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg7.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 6 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 7.5 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 32 m/sθ = ?R = 85 m

평지에서 공을 32 m/s로 발사해 85 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 32 m/sR = 85 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 34 m/s20°H = ?

15 m 절벽 꼭대기에서 공을 34 m/s, 수평 위 20°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 34 m/sθ = 20°h = 15 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 100 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 100 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 100 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 15°중심 방향vmin​ = ?

반지름 60 m인 커브가 15° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 60 mθ = 15°μs = 0.1g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
54 km/h8°800 kg

800 kg 자동차가 8° 경사로를 일정한 54 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 200 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 800 kgθ = 8°Fr = 200 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
5 kg3 kgμ = 0.15d = 3 m

5 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 3 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 3 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 3 kgμ = 0.15d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg6 m/s2 kg

6 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 4.5 kgm2 = 2 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
18 m/s13 m/s

질량 0.55 kg인 공이 18 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 13 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.55 kgvin = 18 m/svout = 13 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
ω = ?2 kgL = 1.4 mm = 2 kg

질량 2 kg, 길이 1.4 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 있고 수평 위치에서 정지 상태로 놓인다. 자유단에 질량 2 kg의 작은 공이 고정되어 있다. 마찰은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 수직 위치를 지날 때의 각속도 ω을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 1.4 mmball = 2 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.강체의 회전어려움
0.7 m0.2 mn1​ = 35 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 5.5 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.7 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 4.5 kg·m²이다. 이들이 35 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.2 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 4.5 kg·m²m = 2 × 5.5 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.2 mn1 = 35 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 40N2​ = 72

960 rpm으로 도는 2.2 kW 모터가 잇수 40개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 72개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 2.2 kWn1 = 960 rpmN1 = 40N2 = 72η = 95%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

평벨트가 200 mm 풀리와 400 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 500 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.5 s

k = 390 N/m인 스프링에 매단 1.2 kg 질량을 양의 방향으로 4 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.5 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgk = 390 N/mA = 4 cmt = 0.5 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?3.6

한 물체가 주기 3.6 s, 진폭 4 cm로 단조화 운동을 한다. 평형점에서 변위 3.6 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 3.6 sA = 4 cmx = 3.6 cm
t = s
19.기계 진동보통
tx30 mm3주기20.6 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 30 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 20.6 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 30 mmx3 = 20.6 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 20k3​ = 10m = 5 kg

5 kg 질량이 스프링 k₃ = 10 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 40 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 = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 51.44 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·7.5) = 51.44 m

답

s = 51.44 m
2.운동학

답: t = 2.892 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.

−15 = 9·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 9·t − 15 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (9 + √(9² + 2·9.81·15))/9.81 = 2.892 s

답

t = 2.892 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.627 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 35° − 0·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0) = 5.627 m/s²

답

a = 5.627 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 52.45 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 73.58 N
m₁·g·sin θ = 24.88 N
μ·m₁·g·cos θ = 10.67 N

계의 가속도

a = (73.58 − 24.88 − 10.67)/13.5 = 2.817 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 7.5·(9.81 − 2.817) = 52.45 N

답

T = 52.45 N
5.포물선 운동

답: θ = 27.26 °

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

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·85/32² = 0.8143

위상각

2θ = 54.52° → θ = 27.26°

답

θ = 27.26°

다른 해는 90° − θ = 62.74°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 21.89 m

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

처음 수직 속력

vy = 34·sin 20° = 11.63 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 11.63²/(2·9.81) = 6.892 m

지면으로부터의 높이

H = 15 + 6.892 = 21.89 m

답

H = 21.89 m
7.원운동

답: vmax = 28.01 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) = √(0.8·9.81·100) = 28.01 m/s

답

vmax = 28.01 m/s (100.9 km/h)
8.원운동

답: vmin = 9.812 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 위를 향합니다.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(60·9.81·0.1622/0.9918) = 9.812 m/s

답

vmin = 9.812 m/s
(35.32 km/h)
9.일과 에너지

답: P = 19.38 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 = 800·9.81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 8° = 1092 N
F = 1092 + 200 = 1292 N

전력

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1292·15 = 19383 W = 19.38 kW

답

P = 19.38 kW
10.일과 에너지

답: v = 4.069 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 = 29.43·3 = 88.29 J
μ·m₁g·d = 0.15·49.05·3 = 22.07 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 66.22 → v = √(2·66.22/8) = 4.069 m/s

답

v = 4.069 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 8.308 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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (4.5 − 2)/(4.5 + 2)·6 = 2.308 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 2)·6 = 8.308 m/s

답

v′2 = 8.308 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 17.05 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 = 0.55·(13 + 18) = 17.05 N·s

답

J = 17.05 N·s
13.강체의 회전

답: ω = 3.971 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 + mball·g·L = 2·9.81·0.7 + 2·9.81·1.4 = 41.2 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1.307 + 3.92 = 5.227 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 41.2 → ω = √(2·41.2/5.227) = 3.971 rad/s

답

ω = 3.971 rad/s
14.강체의 회전

답: n2 = 70.07 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 = 4.5 + 2·5.5·0.7² = 9.89 kg·m²
I2 = 4.5 + 2·5.5·0.2² = 4.94 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 35·9.89/4.94 = 70.07 rpm

답

n2 = 70.07 rpm

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

15.기어와 기어열

답: T2 = 37.42 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·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/100.5 = 21.88 N·m

출력 토크

T2 = 21.88·72/40·0.95 = 37.42 N·m

답

T2 = 37.42 N·m
16.기어와 기어열

답: θ = 156.9 °

벨트 구동: 미끄러짐이 없으면 두 풀리의 림 속도가 v = π·d·n/60으로 같으므로 n₁·d₁ = n₂·d₂이고 속도비는 d₂/d₁입니다. 미끄러짐 s가 있으면 종동 풀리가 조금 느려집니다: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). 전달 동력은 P = (T₁ − T₂)·v이며, T₁은 긴장측 장력, T₂는 이완측 장력입니다. 마찰이 장력의 비를 제한합니다: T₁/T₂ = eμθ이며, θ는 작은 풀리의 접촉각(라디안)입니다. 평벨트에서는 축간 거리 C에 대해 θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C))입니다.

벨트 각도

asin(0.2) = 11.54°

접촉각

θ = 180 − 2·11.54 = 156.9°

답

θ = 156.9°
17.용수철과 진자

답: x = −3.667 cm

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 = √(390/1.2) = 18.03 rad/s
ω·t = 18.03·0.5 = 9.014 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(9.014) = −3.667 cm

답

x = −3.667 cm
18.용수철과 진자

답: t = 0.6416 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 = 2π/T = 2π/3.6 = 1.745 rad/s

시간에 대해 풀기

0.9 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.9) = 1.12 rad
t = 1.12/1.745 = 0.6416 s

답

t = 0.6416 s
19.기계 진동

답: ζ = 0.01994

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(30/20.6) = 0.1253

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1253/√(39.48 + 0.0157) = 0.01994

답

ζ = 0.01994
20.기계 진동

답: fn = 6.59 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 = 40 + 20 = 60 kN/m
keq = 60·10/(60 + 10) = 8.571 kN/m

고유 진동수

ωn = √(8571/5) = 41.4 rad/s
fn = 41.4/(2π) = 6.59 Hz

답

fn = 6.59 Hz

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