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
a = 3.25 m/s²s = 1500 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 3.25 m/s²로 균일하게 가속한다. 1500 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 3.25 m/s²s = 1500 m
v = m/s
2.운동학어려움
v₀ = 19 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 19 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 = 19 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
10 kg7 kg

10 kg과 7 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 = 10 kgm2 = 7 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
9 kg1 kgTF = 105 Nμ = 0.15

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 105 N이 앞쪽의 1 kg 블록을 끌고, 9 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 1 kgF = 105 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
10 my = ?v0​ = 22 m/s50°

평지에서 공을 22 m/s, 수평 위 50°로 10 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 22 m/sθ = 50°x = 10 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 25 m/s55°x = ?

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 25 m/sθ = 55°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 25 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 25 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 = 25 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.1 mv = 5 m/s

길이 1.1 m인 줄에 매단 질량 0.6 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgr = 1.1 mv = 5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
30°L = 2 m1 kg

1 kg 공이 길이 2 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 30°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1 kgL = 2 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
F = 120 N15°μ = 0.2515 kg

15 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 120 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 4 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 120 Nθ = 15°μ = 0.25d = 4 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2.5 kg10 m/s3.5 kg

10 m/s로 움직이는 질량 2.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 2.5 kgm2 = 3.5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
30 m/s11 m/s

질량 0.1 kg인 공이 30 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 11 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.1 kgvin = 30 m/svout = 11 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
0 → 1400 rpmI = 16.5 kg·m²

모터가 관성 모멘트 16.5 kg·m²의 플라이휠을 정지 상태에서 32 s 만에 1400 rpm까지 올린다. 손실을 무시할 때 모터가 내는 평균 일률 Pavg을(를) kW로 구하시오.

I = 16.5 kg·m²n = 1400 rpmt = 32 s
Pavg = kW
14.강체의 회전어려움
180 m/s15 g0.72 mL = 1.3 m7.5 kg

질량 7.5 kg, 길이 1.3 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 15 g의 총알이 수평으로 180 m/s로 날아와 회전축보다 0.72 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. 충돌 직후 막대의 각속도 ω을(를) 구하시오.

M = 7.5 kgL = 1.3 mm = 15 gv = 180 m/sd = 0.72 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 32N2​ = 50

1440 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 32개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 50개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 98%이다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 32N2 = 50η = 98%
T1 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 25B = 48C = 40D = 80

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 25개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 48개)를 구동한다. 기어 C(잇수 40개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 80개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1440 rpmA = 25B = 48C = 40D = 80
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
1.6 kgk = 160 N/mA = 11 cmx = 7 cm

k = 160 N/m인 스프링에 매단 1.6 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 11 cm로 진동한다. 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.6 kgk = 160 N/mA = 11 cmx = 7 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
t (s)x (cm)t = ?4.5

한 물체가 주기 1 s, 진폭 18 cm로 단조화 운동을 한다. 최대 변위 18 cm에서 변위 4.5 cm까지 움직이는 데 필요한 최단 시간 t은(는) 얼마인가?

T = 1 sA = 18 cmx = 4.5 cm
t = s
19.기계 진동보통
k = 8 kN/mζ = 0.3m = 50 kg

강성 8 kN/m인 스프링에 달린 50 kg 질량에 감쇠비 0.3을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk = 8 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 80k3​ = 12m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 12 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 30 kN/m, k₂ = 80 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 = 30 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 98.74 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·3.25·1500) = 98.74 m/s

답

v = 98.74 m/s
(355.5 km/h)
2.운동학

답: t = 4.121 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 = 19·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 19·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (19 + √(19² + 2·9.81·5))/9.81 = 4.121 s

답

t = 4.121 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.731 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (10 − 7)·9.81/(10 + 7) = 1.731 m/s²

답

a = 1.731 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 94.5 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (105 − 14.71)/10 = 9.028 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 9·(9.028 + 1.472) = 94.5 N

답

T = 94.5 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: y = 9.465 m

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

벽까지의 시간

vx = 22·cos 50° = 14.14 m/s
t = x/vx = 10/14.14 = 0.7071 s

그 시각의 높이

y = 16.85·0.7071 − ½·9.81·0.7071² = 9.465 m

답

y = 9.465 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 82.68 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 = 25·cos 55° = 14.34 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 55° = 20.48 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 20.48·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20.48 + √(419.4 + 882.9))/9.81 = 5.766 s

수평 거리

x = vx·t = 14.34·5.766 = 82.68 m

답

x = 82.68 m
7.원운동

답: vmax = 9.905 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) = √(0.4·9.81·25) = 9.905 m/s

답

vmax = 9.905 m/s (35.66 km/h)
8.원운동

답: T = 19.52 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 = 0.6·9.81 + 0.6·5²/1.1 = 5.886 + 13.64 = 19.52 N

답

T = 19.52 N
9.일과 에너지

답: T = 12.44 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·2·(1 − cos 30°) = 5.257 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
T = mg + mv²/L = 9.81 + 1·5.257/2 = 12.44 N

답

T = 12.44 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 12.44 N.

10.일과 에너지

답: v = 4.974 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 = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 38.09 N
μ·mg·cos θ = 35.53 N

일–에너지

½mv² = (120 − 73.62)·4 = 185.5 J
v = √(2·185.5/15) = 4.974 m/s

답

v = 4.974 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −1.667 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 = (2.5 − 3.5)/(2.5 + 3.5)·10 = −1.667 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 3.5)·10 = 8.333 m/s

답

v′1 = −1.667 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 410 N

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 = 0.1·(11 + 30) = 4.1 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4.1/0.01 = 410 N

답

Favg = 410 N
13.강체의 회전

답: Pavg = 5.541 kW

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.

각속도

ω = 2π·1400/60 = 146.6 rad/s

에너지

E = ½·I·ω² = ½·16.5·146.6² = 177324 J

평균 동력

Pavg = E/t = 177324/32 = 5541 W = 5.541 kW

답

Pavg = 5.541 kW
14.강체의 회전

답: ω = 0.4593 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.

충돌 후의 관성 모멘트

I = M·L²/3 + m·d² = 7.5·1.3²/3 + 0.015·0.72² = 4.233 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.015·180·0.72/4.233 = 0.4593 rad/s

답

ω = 0.4593 rad/s
15.기어와 기어열

답: T1 = 9.947 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150.8 = 9.947 N·m

답

T1 = 9.947 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 375 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 = 1440·25/48 = 750 rpm = nC

2단

nout = 750·40/80 = 375 rpm

답

nout = 375 rpm

전체 기어비 = 3.84 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.8485 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 = √(160/1.6) = 10 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 10·√(0.11² − 0.07²) = 0.8485 m/s

답

v = 0.8485 m/s
18.용수철과 진자

답: t = 0.2098 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/1 = 6.283 rad/s

시간에 대해 풀기

0.25 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.25) = 1.318 rad
t = 1.318/6.283 = 0.2098 s

답

t = 0.2098 s
19.기계 진동

답: fd = 1.92 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 = √(8000/50) = 12.65 rad/s
fn = 12.65/(2π) = 2.013 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.013·√(1 − 0.3²) = 1.92 Hz

답

fd = 1.92 Hz
20.기계 진동

답: fn = 2.341 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 + 80 = 110 kN/m
keq = 110·12/(110 + 12) = 10.82 kN/m

고유 진동수

ωn = √(10820/50) = 14.71 rad/s
fn = 14.71/(2π) = 2.341 Hz

답

fn = 2.341 Hz

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