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)1.25 s10

36 km/h로 달리던 자동차가 8 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 9 m/s5 m

지면에서 5 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 = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 2.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 2.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 1.6 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 2.5 m/sd = 1.6 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg8.5 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 2 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 8.5 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s65°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 65° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
12 mv0​ = 32 m/s65°x = ?

지면에서 공을 32 m/s, 수평 위 65°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 12 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 32 m/sθ = 65°hroof = 12 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 95 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 95 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 95 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.4 m10.5 m/svtop​ = ?

길이 1.4 m의 가벼운 줄에 매단 0.7 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 1.4 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
45°d = 18 mμ = 0.35

블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.35이다. 경사면을 따라 18 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 45°μ = 0.35d = 18 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 3 mμ = 0.25k = 2500 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 3.5 mL = 3 mμ = 0.25k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1 kg71 m/s8 kgv′2​ = ?

수평으로 20 m/s로 움직이던 9 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 1 kg 파편은 71 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 8 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 9 kgu = 20 m/sm1 = 1 kgv′1 = 71 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1900 kgv1​ = ?1800 kg

1900 kg 자동차가 주차된 1800 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 13.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1900 kgm2 = 1800 kgd = 13.5 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
0.5 kgaαM = 3.5 kgR = 0.2 m

질량 0.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 3.5 kg, 반지름 0.2 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체가 0.5 m 떨어진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgM = 3.5 kgR = 0.2 mg = 9.81 m/s²h = 0.5 m
v = m/s
14.강체의 회전어려움
100 m/s15 g0.81 mL = 1.9 m6 kg

질량 6 kg, 길이 1.9 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 15 g의 총알이 수평으로 100 m/s로 날아와 회전축보다 0.81 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. 충돌 직후 막대의 각속도 ω을(를) 구하시오.

M = 6 kgL = 1.9 mm = 15 gv = 100 m/sd = 0.81 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm2880 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 400 NP = ?

벨트가 200 mm 구동 풀리 위를 2880 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 1000 N, 이완측 400 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 200 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1000 NT2 = 400 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 1200 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

평벨트가 960 rpm의 200 mm 구동 풀리를 400 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 1200 mm입니다. 마찰계수는 0.25이고 긴장측 장력은 600 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 1200 mmμ = 0.25T1 = 600 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
1.9 kgk = 430 N/mA = 5 cmx = 4 cm

k = 430 N/m인 스프링에 매단 1.9 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 5 cm로 진동한다. 평형점에서 4 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.9 kgk = 430 N/mA = 5 cmx = 4 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
0.3 kgk = 190 N/m

k = 190 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 = 190 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx25 mm3주기5.5 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 25 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 5.5 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 25 mmx3 = 5.5 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 20k2​ = 15m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 20 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 15 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 6.25 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 = 36/3.6 = 10 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·8) = 6.25 m

답

s = 6.25 m
2.운동학

답: t = 2.282 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 = 9·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 9·t − 5 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (9 + √(9² + 2·9.81·5))/9.81 = 2.282 s

답

t = 2.282 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1991

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) = 2.5²/(2·1.6) = 1.953 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.953/9.81 = 0.1991

답

μ = 0.1991
4.뉴턴 법칙

답: T = 23.55 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 = 83.39 N
m₁·g·sin θ = 6.71 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.766 N

계의 가속도

a = (83.39 − 6.71 − 2.766)/10.5 = 7.039 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8.5·(9.81 − 7.039) = 23.55 N

답

T = 23.55 N
5.포물선 운동

답: t = 3.326 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 65° = 7.607 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 65° = 16.31 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·16.31/9.81 = 3.326 s

답

t = 3.326 s
6.포물선 운동

답: x = 73.91 m

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

초기 속도 분해

vx = 13.52 m/s, vy = 29 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

12 = 29·t − 4.905·t²
t = (29 + √(29² − 2·9.81·12))/9.81 = 5.465 s

수평 거리

x = vx·t = 13.52·5.465 = 73.91 m

답

x = 73.91 m
7.원운동

답: vmax = 21.59 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) = √(0.5·9.81·95) = 21.59 m/s

답

vmax = 21.59 m/s (77.71 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 20.79 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 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 10.5² − 4·9.81·1.4 = 55.31 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.7·55.31/1.4 − 0.7·9.81 = 20.79 N

답

Ttop = 20.79 N
9.일과 에너지

답: v = 12.74 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·18·(0.7071 − 0.35·0.7071)) = 12.74 m/s

답

v = 12.74 m/s
10.일과 에너지

답: x = 14.69 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·(3.5 − 0.25·3) = 26.98 J

최대 압축량

½kx² = 26.98 → x = √(2·26.98/2500) = 0.1469 m = 14.69 cm

답

x = 14.69 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 13.63 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 전 운동량

p = M·u = 9·20 = 180 kg·m/s

충돌 후 운동량

180 = 1·71 + 8·v′2
v′2 = (180 − 71)/8 = 13.63 m/s

답

v′2 = 13.63 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 28.35 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) = √(2·0.8·9.81·13.5) = 14.56 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3700·14.56/1900 = 28.35 m/s

답

v1 = 28.35 m/s
(102 km/h)
13.강체의 회전

답: v = 1.476 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.

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) = 0.5·9.81/(0.5 + 1.75) = 2.18 m/s²

떨어진 뒤의 속력

v = √(2·a·h) = √(2·2.18·0.5) = 1.476 m/s

답

v = 1.476 m/s
14.강체의 회전

답: ω = 0.1681 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 = 6·1.9²/3 + 0.015·0.81² = 7.23 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.015·100·0.81/7.23 = 0.1681 rad/s

답

ω = 0.1681 rad/s
15.기어와 기어열

답: P = 18.1 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.

벨트 속도

v = 30.16 m/s

전력

P = (1000 − 400)·30.16 = 18096 W = 18.1 kW

답

P = 18.1 kW
16.기어와 기어열

답: P = 3.165 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 = 2.975 rad

이완측 장력

eμθ = e0.7437 = 2.104, T₂ = 600/2.104 = 285.2 N

전력

P = (600 − 285.2)·10.05 = 3.165 kW

답

P = 3.165 kW
17.용수철과 진자

답: v = 0.4513 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 = √(430/1.9) = 15.04 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 15.04·√(0.05² − 0.04²) = 0.4513 m/s

답

v = 0.4513 m/s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.3898 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 = 0.3·9.81/190 = 0.01549 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(190/0.3) = 25.17 rad/s
vmax = A·ω = 0.01549·25.17 = 0.3898 m/s

답

vmax = 0.3898 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.08007

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(25/5.5) = 0.5047

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5047/√(39.48 + 0.2547) = 0.08007

답

ζ = 0.08007
20.기계 진동

답: fn = 2.947 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 = 1/20 + 1/15 → keq = 20·15/(20 + 15) = 8.571 kN/m

고유 진동수

ωn = √(8571/25) = 18.52 rad/s
fn = 18.52/(2π) = 2.947 Hz

답

fn = 2.947 Hz

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