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)5.556 s22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 3.7 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 3.7 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 마찰 없는 경사면을 미끄러져 내려간다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 20°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg7 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 1.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 7 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
78 my = ?v0​ = 34 m/s55°

평지에서 공을 34 m/s, 수평 위 55°로 78 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 34 m/sθ = 55°x = 78 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 34 m/s50°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 1.7 m30°

길이 1.7 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 30°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 1.7 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
r = 0.7 mv = 6 m/s

길이 0.7 m인 줄에 매단 질량 1.6 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 6 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.6 kgr = 0.7 mv = 6 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
72 km/h4°800 kg

800 kg 자동차가 4° 경사로를 일정한 72 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 800 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 800 kgθ = 4°Fr = 800 Nv = 72 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
h = 7 mR = 2.5 mN = ?

2 kg 수레가 반지름 2.5 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 7 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 7 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.운동량과 충돌보통
5 kg3 m/s1.5 kg

3 m/s로 움직이는 질량 5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 5 kgm2 = 1.5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1600 kg19 m/s1500 kg24 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 19 m/s로 달리던 1600 kg 자동차가 북쪽으로 24 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1600 kgv1 = 19 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 24 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
ω = ?L = 2 mm = 6.5 kg

질량 6.5 kg, 길이 2 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 = 6.5 kgL = 2 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.강체의 회전어려움
0.7 m0.3 mn1​ = 45 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 3 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.7 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 2 kg·m²이다. 이들이 45 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.3 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 2 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.3 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 240 NP = ?

벨트가 125 mm 구동 풀리 위를 960 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 1200 N, 이완측 240 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 1200 NT2 = 240 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
Ns​ = 24nr​ = ?Np​ = 24캐리어 고정

유성 기어 장치에서 태양 기어의 잇수는 24개, 각 유성 기어의 잇수는 24개이다. 유성 캐리어는 고정되어 있고 태양 기어는 1200 rpm으로 구동된다. 링 기어의 회전 속도 nr(크기)을(를) 구하시오.

Ns = 24Np = 24ns = 1200 rpm
nr = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.6 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.6 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
0.5 kgk = 360 N/m

k = 360 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 0.5 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 0.5 kgk = 360 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
k = 50 kN/mζ = 0.35m = 50 kg

강성 50 kN/m인 스프링에 달린 50 kg 질량에 감쇠비 0.35을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk = 50 kN/mζ = 0.35
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 30m = 40 kg

40 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 5 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 30 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 61.73 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·4) = 61.73 m

답

s = 61.73 m
2.운동학

답: d = 60.86 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(3.7 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1269 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1269))/(2·4.905) = 3.523 s

깊이

d = ½·9.81·3.523² = 60.86 m

답

d = 60.86 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.355 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 20° − 0·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0) = 3.355 m/s²

답

a = 3.355 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 19.91 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 = 68.67 N
m₁·g·sin θ = 9.459 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (68.67 − 9.459 − 0)/8.5 = 6.966 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 7·(9.81 − 6.966) = 19.91 N

답

T = 19.91 N
5.포물선 운동

답: y = 32.93 m

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

벽까지의 시간

vx = 34·cos 55° = 19.5 m/s
t = x/vx = 78/19.5 = 4 s

그 시각의 높이

y = 27.85·4 − ½·9.81·4² = 32.93 m

답

y = 32.93 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 6.14 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 = 34·cos 50° = 21.85 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 50° = 26.05 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 26.05·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (26.05 + √(678.4 + 490.5))/9.81 = 6.14 s

답

t = 6.14 s
7.원운동

답: T = 2.434 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 1.7·sin 30° = 0.85 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0.85·9.81·tan 30°) = 2.194 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.85/2.194 = 2.434 s

답

T = 2.434 s
8.원운동

답: T = 97.98 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 = 1.6·9.81 + 1.6·6²/0.7 = 15.7 + 82.29 = 97.98 N

답

T = 97.98 N
9.일과 에너지

답: P = 26.95 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 4° = 547.4 N
F = 547.4 + 800 = 1347 N

전력

v = 72/3.6 = 20 m/s
P = F·v = 1347·20 = 26949 W = 26.95 kW

답

P = 26.95 kW
10.일과 에너지

답: N = 11.77 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.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(7 − 5) = 39.24 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
N = mv²/R − mg = 2·39.24/2.5 − 19.62 = 11.77 N

답

N = 11.77 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

11.운동량과 충돌

답: v′1 = 1.615 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 = (5 − 1.5)/(5 + 1.5)·3 = 1.615 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1.5)·3 = 4.615 m/s

답

v′1 = 1.615 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 15.2 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.

운동량 성분

px = 1600·19 = 30400 kg·m/s
py = 1500·24 = 36000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 47119/3100 = 15.2 m/s

답

v′ = 15.2 m/s
13.강체의 회전

답: ω = 3.836 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 = 6.5·9.81·1 = 63.77 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 6.5·2²/3 = 8.667 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 63.77 → ω = √(2·63.77/8.667) = 3.836 rad/s

답

ω = 3.836 rad/s
14.강체의 회전

답: n2 = 87.52 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 = 2 + 2·3·0.7² = 4.94 kg·m²
I2 = 2 + 2·3·0.3² = 2.54 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 45·4.94/2.54 = 87.52 rpm

답

n2 = 87.52 rpm

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

15.기어와 기어열

답: P = 6.032 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 = 6.283 m/s

전력

P = (1200 − 240)·6.283 = 6032 W = 6.032 kW

답

P = 6.032 kW
16.기어와 기어열

답: nr = 400 rpm

유성 기어 장치: 태양 기어, 링, 캐리어의 속도는 윌리스 식 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns로 연결됩니다. 캐리어에서 보면 장치는 유성 기어가 아이들 기어인 보통 기어열입니다. 한 요소를 고정하면 장치는 단일 감속비의 감속기가 됩니다.

링 기어 잇수

Nr = Ns + 2·Np = 24 + 2·24 = 72

캐리어 고정일 때의 윌리스 식

nc = 0이면 태양 기어가 아이들 기어 역할을 하는 유성 기어를 통해 링을 구동합니다.

nr = −ns·Ns/Nr = −1200·24/72 = −400 rpm
|nr| = 400 rpm

답

nr = 400 rpm

링은 태양 기어와 반대 방향으로 돕니다.

17.용수철과 진자

답: L = 1.68 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.6/2π)² = 1.68 m

답

L = 1.68 m
18.용수철과 진자

답: xmax = 2.725 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 = 0.5·9.81/360 = 0.01362 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.02725 m = 2.725 cm

답

xmax = 2.725 cm
19.기계 진동

답: fd = 4.715 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 = √(50000/50) = 31.62 rad/s
fn = 31.62/(2π) = 5.033 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5.033·√(1 − 0.35²) = 4.715 Hz

답

fd = 4.715 Hz
20.기계 진동

답: fn = 1.647 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 = 1/5 + 1/30 → keq = 5·30/(5 + 30) = 4.286 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4286/40) = 10.35 rad/s
fn = 10.35/(2π) = 1.647 Hz

답

fn = 1.647 Hz

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