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 = ?s = 1800 m

비행기가 이륙하려면 280 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1800 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 280 km/hs = 1800 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 18 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 18 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 = 18 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 10 kg

질량 10 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4 kg8 kgθ = 20°

20° 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 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 8 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 14 m/s40°x = ?

공을 평지에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 11 m/s15°수평 도달 거리

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 11 m/sθ = 15°h = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 55 m10 m/s

1600 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 10 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 55 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1600 kgv = 10 m/sr = 55 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 1 mv = 5 m/s

길이 1 m인 줄에 매단 질량 0.8 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.8 kgr = 1 mv = 5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
100 km/h

평평한 도로를 100 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.5이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 100 km/hμ = 0.5g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 4 mL = 3.5 mμ = 0.3k = 2500 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 4 mL = 3.5 mμ = 0.3k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1.5 kg4 m/s2 kg

4 m/s로 움직이는 질량 1.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 1.5 kgm2 = 2 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kgv1​ = ?900 kg

900 kg 자동차가 주차된 900 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 22 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgm2 = 900 kgd = 22 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
v = ?3 kgL = 1.1 mm = 7 kg

질량 7 kg, 길이 1.1 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 있고 수평 위치에서 정지 상태로 놓인다. 자유단에 질량 3 kg의 작은 공이 고정되어 있다. 마찰은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 수직 위치를 지날 때 자유단의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 7 kgL = 1.1 mmball = 3 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.강체의 회전어려움
θ = 30°vs = 6 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 6 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°s = 6 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20, m = 2 mm

2900 rpm으로 도는 2.2 kW 모터가 잇수 20개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 2.2 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 80C = 12D = 45

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 12개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 45개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 18B = 80C = 12D = 45
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
3.7 kgk = 430 N/mA = 12 cmx = 11 cm

k = 430 N/m인 스프링에 매단 3.7 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 12 cm로 진동한다. 평형점에서 11 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 430 N/mA = 12 cmx = 11 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
3.7 kgk = 40 N/mA = 17 cm

k = 40 N/m인 용수철에 매단 3.7 kg 물체를 평형 위치에서 17 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 3.7 kgk = 40 N/mA = 17 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
k = 10 kN/mζ = 0.6m = 100 kg

강성 10 kN/m인 스프링에 달린 100 kg 질량에 감쇠비 0.6을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 100 kgk = 10 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 80k2​ = 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 = 80 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 = 80 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: a = 1.68 m/s²

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

v = 280/3.6 = 77.78 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 77.78²/(2·1800) = 1.68 m/s²

답

a = 1.68 m/s²
2.운동학

답: t = 4.744 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.

−25 = 18·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 18·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (18 + √(18² + 2·9.81·25))/9.81 = 4.744 s

답

t = 4.744 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.257 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 25° − 0.1·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.09063) = 3.257 m/s²

답

a = 3.257 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 37.57 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 = 13.42 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.687 N

계의 가속도

a = (78.48 − 13.42 − 3.687)/12 = 5.114 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8·(9.81 − 5.114) = 37.57 N

답

T = 37.57 N
5.포물선 운동

답: x = 19.68 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 = 14·cos 40° = 10.72 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 40° = 8.999 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·8.999/9.81 = 1.835 s

수평 거리

x = vx·t = 10.72·1.835 = 19.68 m

답

x = 19.68 m
6.포물선 운동

답: t = 1.341 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 = 11·cos 15° = 10.63 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 15° = 2.847 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 2.847·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (2.847 + √(8.105 + 98.1))/9.81 = 1.341 s

답

t = 1.341 s
7.원운동

답: N = 12787 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.

꼭대기에서의 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 1600·9.81 − 1600·10²/55 = 15696 − 2909 = 12787 N

답

N = 12787 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: T = 27.85 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 = 0.8·9.81 + 0.8·5²/1 = 7.848 + 20 = 27.85 N

답

T = 27.85 N
9.일과 에너지

답: d = 78.65 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.5·9.81) = 78.65 m

답

d = 78.65 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 15.22 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 = 9.81·(4 − 0.3·3.5) = 28.94 J

최대 압축량

½kx² = 28.94 → x = √(2·28.94/2500) = 0.1522 m = 15.22 cm

답

x = 15.22 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −0.5714 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 = (1.5 − 2)/(1.5 + 2)·4 = −0.5714 m/s
v′2 = 2·1.5/(1.5 + 2)·4 = 3.429 m/s

답

v′1 = −0.5714 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 34.76 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·22) = 17.38 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 1800·17.38/900 = 34.76 m/s

답

v1 = 34.76 m/s
(125.2 km/h)
13.강체의 회전

답: v = 5.129 m/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 = 7·9.81·0.55 + 3·9.81·1.1 = 70.14 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 + mball·L² = 2.823 + 3.63 = 6.453 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 70.14 → ω = √(2·70.14/6.453) = 4.662 rad/s
v = ω·L = 4.662·1.1 = 5.129 m/s

답

v = 5.129 m/s
14.강체의 회전

답: v = 6.264 m/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 = 6·sin 30° = 3 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.5)
v = √(2·9.81·3/1.5) = 6.264 m/s

답

v = 6.264 m/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 362.2 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 2200/303.7 = 7.244 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·20 = 40 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·7.244/0.04 = 362.2 N

답

Ft = 362.2 N
16.기어와 기어열

답: nout = 57.6 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 = 960·18/80 = 216 rpm = nC

2단

nout = 216·12/45 = 57.6 rpm

답

nout = 57.6 rpm

전체 기어비 = 16.67 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.517 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 = √(430/3.7) = 10.78 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 10.78·√(0.12² − 0.11²) = 0.517 m/s

답

v = 0.517 m/s
18.용수철과 진자

답: amax = 1.838 m/s²

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 = √(40/3.7) = 3.288 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.17·3.288² = 1.838 m/s²

답

amax = 1.838 m/s²
19.기계 진동

답: fd = 1.273 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 = √(10000/100) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1.592 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1.592·√(1 − 0.6²) = 1.273 Hz

답

fd = 1.273 Hz
20.기계 진동

답: fn = 1.818 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 = 80 + 20 = 100 kN/m
keq = 100·15/(100 + 15) = 13.04 kN/m

고유 진동수

ωn = √(13043/100) = 11.42 rad/s
fn = 11.42/(2π) = 1.818 Hz

답

fn = 1.818 Hz

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