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)0.7 s15

54 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.7 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 6 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 54 km/htr = 0.7 sa = −6 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 26 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 26 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 26 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 19 kg

질량 19 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 19 kgθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg1.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
7 my = ?v0​ = 10 m/s45°

평지에서 공을 10 m/s, 수평 위 45°로 7 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 10 m/sθ = 45°x = 7 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
13 mv0​ = 31 m/s70°x = ?

지면에서 공을 31 m/s, 수평 위 70°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 13 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 31 m/sθ = 70°hroof = 13 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 110 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 110 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 110 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 5 mh = 24.5 m

3.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 24.5 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgh = 24.5 mR = 5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
35°d = 2 mμ = 0.4

질량 10 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 2 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.4이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 35°μ = 0.4d = 2 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
k = 2000 N/m40°μ = 0.15 kg

40° 경사면 아래에 있는 강성 2000 N/m인 스프링을 5 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 5 kgk = 2000 N/mx = 15 cmθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
3 kg79 m/s7 kgv′2​ = ?

수평으로 34 m/s로 움직이던 10 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 79 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 7 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 10 kgu = 34 m/sm1 = 3 kgv′1 = 79 m/sm2 = 7 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1300 kgv1​ = ?1100 kg

1300 kg 자동차가 주차된 1100 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 = 1300 kgm2 = 1100 kgd = 13.5 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 800 rpmTb​ = 90 N·mI = 12 kg·m²

관성 모멘트가 12 kg·m²인 플라이휠이 800 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 90 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 12 kg·m²n = 800 rpmTb = 90 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 10°vs = 5 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 10°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.1 m이다. 경사면을 따라 5 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 10°s = 5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.1 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

200 mm 풀리가 960 rpm으로 돌며 미끄러짐 3 %인 벨트로 300 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 960 rpmd1 = 200 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 48B = 72C = 16D = 80

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 48개)가 3000 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 72개)를 구동한다. 기어 C(잇수 16개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 80개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 3000 rpmA = 48B = 72C = 16D = 80
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.75 s

k = 250 N/m인 스프링에 매단 2.9 kg 질량을 양의 방향으로 14 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.75 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.9 kgk = 250 N/mA = 14 cmt = 0.75 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
3 kgk = 500 N/m300 m/s

300 m/s로 움직이는 20 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 3 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 500 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 20 gv = 300 m/sM = 3 kgk = 500 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
k = 150 kN/mc = 350 N·s/mm = 5 kg

5 kg 질량이 강성 150 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 350 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 5 kgk = 150 kN/mc = 350 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 10m = 20 kg

20 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 12 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 10 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 29.25 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 = 54/3.6 = 15 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 15·0.7 = 10.5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·6) = 18.75 m

합계

d = 10.5 + 18.75 = 29.25 m

답

d = 29.25 m
2.운동학

답: hmax = 189.8 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.

동력 비행 단계

v₁ = 26·2 = 52 m/s
h₁ = ½·26·2² = 52 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 52²/(2·9.81) = 137.8 m
hmax = 52 + 137.8 = 189.8 m

답

hmax = 189.8 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 0.5897 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° − 0.3·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2819) = 0.5897 m/s²

답

a = 0.5897 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.509 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (14.71 − 4.905)/6.5 = 1.509 m/s²

답

a = 1.509 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 2.193 m

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

벽까지의 시간

vx = 10·cos 45° = 7.071 m/s
t = x/vx = 7/7.071 = 0.9899 s

그 시각의 높이

y = 7.071·0.9899 − ½·9.81·0.9899² = 2.193 m

답

y = 2.193 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 57.81 m

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

초기 속도 분해

vx = 10.6 m/s, vy = 29.13 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

13 = 29.13·t − 4.905·t²
t = (29.13 + √(29.13² − 2·9.81·13))/9.81 = 5.453 s

수평 거리

x = vx·t = 10.6·5.453 = 57.81 m

답

x = 57.81 m
7.원운동

답: vmax = 25.45 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) = √(0.6·9.81·110) = 25.45 m/s

답

vmax = 25.45 m/s (91.6 km/h)
8.원운동

답: Ntop = 164.8 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.

에너지 보존에서 구한 속력

v² = 2·9.81·(24.5 − 2·5) = 284.5 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 3.5·284.5/5 − 34.34 = 164.8 N

답

Ntop = 164.8 N
9.일과 에너지

답: Wf = 64.29 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 98.1·0.8192 = 80.36 N
F = μN = 0.4·80.36 = 32.14 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 32.14·2 = 64.29 J

답

Wf = 64.29 J
10.일과 에너지

답: d = 0.6376 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 = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·2000·0.15² = 22.5 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 22.5/(49.05·(0.6428 + 0.1·0.766)) = 0.6376 m

답

d = 0.6376 m
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 14.71 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 = 10·34 = 340 kg·m/s

충돌 후 운동량

340 = 3·79 + 7·v′2
v′2 = (340 − 237)/7 = 14.71 m/s

답

v′2 = 14.71 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 26.87 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 = 2400·14.56/1300 = 26.87 m/s

답

v1 = 26.87 m/s
(96.75 km/h)
13.강체의 회전

답: N = 74.47 rev

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·800/60 = 83.78 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·12·83.78² = 42110 J
θ = 42110/90 = 467.9 rad

회전수

N = θ/2π = 74.47 rev

답

N = 74.47 rev
14.강체의 회전

답: ω = 33.7 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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 5·sin 10° = 0.8682 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 = √(2·9.81·0.8682/1.5) = 3.37 m/s
ω = v/r = 3.37/0.1 = 33.7 rad/s

답

ω = 33.7 rad/s
15.기어와 기어열

답: n2 = 620.8 rpm

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.

미끄러짐 없을 때의 속도

960·200/300 = 640 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 640·0.97 = 620.8 rpm

답

n2 = 620.8 rpm
16.기어와 기어열

답: nout = 400 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 = 3000·48/72 = 2000 rpm = nC

2단

nout = 2000·16/80 = 400 rpm

답

nout = 400 rpm

전체 기어비 = 7.5 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 10.88 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 = √(250/2.9) = 9.285 rad/s
ω·t = 9.285·0.75 = 6.964 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 14·cos(6.964) = 10.88 cm

답

x = 10.88 cm
18.용수철과 진자

답: A = 15.44 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.02·300/3.02 = 1.987 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(500/3.02) = 12.87 rad/s

진폭

A = V/ω = 1.987/12.87 = 0.1544 m = 15.44 cm

답

A = 15.44 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.2021

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.

임계 감쇠

cc = 2·√(k·m) = 2·√(150000·5) = 1732 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 350/1732 = 0.2021

답

ζ = 0.2021

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 2.628 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 = 1/12 + 1/10 → keq = 12·10/(12 + 10) = 5.455 kN/m

고유 진동수

ωn = √(5455/20) = 16.51 rad/s
fn = 16.51/(2π) = 2.628 Hz

답

fn = 2.628 Hz

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