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
경찰a = 3.5 m/s²자동차17 m/s

일정한 17 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 3.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 17 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 24 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 5 st2 = 24 sa3 = −4.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 10.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 10.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 19 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 10.5 m/sd = 19 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4 kg8 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 4 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8 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 = 4 kgm2 = 8 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s40°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 26 m/s45°H = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 26 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 26 m/sθ = 45°h = 40 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 60 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 60 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 = 60 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.5 mv = 8.5 m/s

길이 1.5 m인 줄에 매단 질량 0.4 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 8.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgr = 1.5 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
0.05 kgk = 400 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 400 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.05 kg 공을 올려놓고 스프링을 5 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.05 kgk = 400 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
F = 85 N15°μ = 0.120 kg

20 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 85 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록이 경사면을 따라 8 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 85 Nθ = 15°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?10 gh = 11 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 11 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 4.5 kgh = 11 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1900 kg14 m/s1800 kg10 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 14 m/s로 달리던 1900 kg 자동차가 북쪽으로 10 m/s로 달리던 1800 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1900 kgv1 = 14 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 10 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
ω = ?L = 1.3 mm = 5 kg

질량 5 kg, 길이 1.3 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 kgL = 1.3 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.강체의 회전어려움
θ = 30°as = 3 m

속 빈 구이(가) 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 3 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 3 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 25N2​ = 30

1500 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 25개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 30개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 4 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 30η = 100%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 1000 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

평벨트가 1500 rpm의 100 mm 구동 풀리를 250 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 1000 mm입니다. 마찰계수는 0.35이고 긴장측 장력은 1200 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 100 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 1000 mmμ = 0.35T1 = 1200 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.1 s

k = 180 N/m인 스프링에 매단 3.8 kg 질량을 양의 방향으로 5 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.1 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 3.8 kgk = 180 N/mA = 5 cmt = 0.1 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
1.5 kgk = 230 N/m

k = 230 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1.5 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 1.5 kgk = 230 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
tx50 mm3주기23.5 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 23.5 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx3 = 23.5 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 80m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 25 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 80 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

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

3용액

1.운동학

답: d = 165.1 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·17/3.5 = 9.714 s

거리

d = v·t = 17·9.714 = 165.1 m

답

d = 165.1 m

그 순간 경찰차는 2v = 34 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: s = 348.6 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 = 2.5·5 = 12.5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2.5·5² = 31.25 m
s2 = 12.5·24 = 300 m
s3 = 12.5²/(2·4.5) = 17.36 m

총거리

s = 31.25 + 300 + 17.36 = 348.6 m

답

s = 348.6 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2958

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

a = v₀²/(2d) = 10.5²/(2·19) = 2.901 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.901/9.81 = 0.2958

답

μ = 0.2958
4.뉴턴 법칙

답: T = 41.96 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 78.48 N
m₁·g·sin θ = 16.58 N
μ·m₁·g·cos θ = 7.113 N

계의 가속도

a = (78.48 − 16.58 − 7.113)/12 = 4.565 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8·(9.81 − 4.565) = 41.96 N

답

T = 41.96 N
5.포물선 운동

답: t = 2.359 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 = 18·cos 40° = 13.79 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 40° = 11.57 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·11.57/9.81 = 2.359 s

답

t = 2.359 s
6.포물선 운동

답: H = 57.23 m

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

처음 수직 속력

vy = 26·sin 45° = 18.38 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 18.38²/(2·9.81) = 17.23 m

지면으로부터의 높이

H = 40 + 17.23 = 57.23 m

답

H = 57.23 m
7.원운동

답: vmax = 15.34 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) = √(0.4·9.81·60) = 15.34 m/s

답

vmax = 15.34 m/s (55.24 km/h)
8.원운동

답: T = 23.19 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 + 0.4·8.5²/1.5 = 3.924 + 19.27 = 23.19 N

답

T = 23.19 N
9.일과 에너지

답: h = 1.019 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).

스프링 에너지

x = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·400·0.05² = 0.5 J

높이

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.5/0.4905 = 1.019 m

답

h = 1.019 m
10.일과 에너지

답: v = 3.495 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 20·9.81 = 196.2 N
mg·sin θ = 50.78 N
μ·mg·cos θ = 18.95 N

일–에너지

½mv² = (85 − 69.73)·8 = 122.1 J
v = √(2·122.1/20) = 3.495 m/s

답

v = 3.495 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 662.6 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) = √(2·9.81·0.11) = 1.469 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 4.5)·1.469/0.01 = 662.6 m/s

답

v = 662.6 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 34.09 °

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 성분

px = 1900·14 = 26600 kg·m/s
py = 1800·10 = 18000 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 0.6767 → θ = 34.09°

답

θ = 34.09°
13.강체의 회전

답: ω = 4.758 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 = 5·9.81·0.65 = 31.88 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 5·1.3²/3 = 2.817 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 31.88 → ω = √(2·31.88/2.817) = 4.758 rad/s

답

ω = 4.758 rad/s
14.강체의 회전

답: t = 1.428 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 30°/1.667 = 2.943 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·3/2.943) = 1.428 s

답

t = 1.428 s
15.기어와 기어열

답: T2 = 30.56 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/157.1 = 25.46 N·m

출력 토크

T2 = 25.46·30/25·1 = 30.56 N·m

답

T2 = 30.56 N·m
16.기어와 기어열

답: P = 6.117 kW

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.

접촉각

θ = 2.991 rad

이완측 장력

eμθ = e1.047 = 2.849, T₂ = 1200/2.849 = 421.2 N

전력

P = (1200 − 421.2)·7.854 = 6.117 kW

답

P = 6.117 kW
17.용수철과 진자

답: x = 3.862 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 = √(180/3.8) = 6.882 rad/s
ω·t = 6.882·0.1 = 0.6882 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 5·cos(0.6882) = 3.862 cm

답

x = 3.862 cm
18.용수철과 진자

답: xmax = 12.8 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 1.5·9.81/230 = 0.06398 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.128 m = 12.8 cm

답

xmax = 12.8 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.04002

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(50/23.5) = 0.2517

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2517/√(39.48 + 0.06334) = 0.04002

답

ζ = 0.04002
20.기계 진동

답: fn = 4.393 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

직렬 스프링은 같은 힘을 받고 처짐이 더해지므로 역수로 합성합니다: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/80 → keq = 25·80/(25 + 80) = 19.05 kN/m

고유 진동수

ωn = √(19048/25) = 27.6 rad/s
fn = 27.6/(2π) = 4.393 Hz

답

fn = 4.393 Hz

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