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
경찰a = 6 m/s²자동차34 m/s

일정한 34 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 6 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차가 따라잡는 데 얼마나 걸리는가? t을(를) 구하시오.

vcar = 34 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)9 s

트램이 정지 상태에서 출발해 9 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 20 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 9 st2 = 20 sa3 = −4 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 3 kg

질량 3 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 3 kgθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg2 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 6 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 2 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
5 my = ?v0​ = 10 m/s60°

평지에서 공을 10 m/s, 수평 위 60°로 5 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 = 60°x = 5 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
5 mv0​ = 24 m/s70°x = ?

지면에서 공을 24 m/s, 수평 위 70°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 5 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 24 m/sθ = 70°hroof = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 65 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 65 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 65 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 30°중심 방향vmax​ = ?

반지름 60 m인 커브가 30° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 60 mθ = 30°μs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
0.15 kgk = 2000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 2000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.15 kg 공을 올려놓고 스프링을 6 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.15 kgk = 2000 N/mx = 6 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
k = 3000 N/m35°μ = 0.31 kg

35° 경사면 아래에 있는 강성 3000 N/m인 스프링을 1 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. 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 = 1 kgk = 3000 N/mx = 15 cmθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.운동량과 충돌보통
1000 kg22 m/s1200 kg

22 m/s로 움직이는 1000 kg 자동차가 정지해 있는 1200 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1000 kgv1 = 22 m/sm2 = 1200 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
21 m/s16 m/s

질량 0.1 kg인 공이 21 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 16 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.1 kgvin = 21 m/svout = 16 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
0 → 800 rpmI = 37.5 kg·m²

모터가 관성 모멘트 37.5 kg·m²의 플라이휠을 정지 상태에서 43 s 만에 800 rpm까지 올린다. 손실을 무시할 때 모터가 내는 평균 일률 Pavg을(를) kW로 구하시오.

I = 37.5 kg·m²n = 800 rpmt = 43 s
Pavg = kW
14.강체의 회전어려움
θ = 30°a

속 빈 구이(가) 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미끄러지지 않기 위한 최소 정지 마찰 계수 μs을(를) 구하시오.

θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
μs =
15.기어와 기어열보통
N1​ = 16N2​ = 40

1500 rpm으로 도는 7.5 kW 모터가 잇수 16개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 40개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 7.5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 40η = 95%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm960 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

평벨트가 960 rpm의 120 mm 구동 풀리를 200 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 600 mm입니다. 마찰계수는 0.25이고 긴장측 장력은 1500 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmd2 = 200 mmC = 600 mmμ = 0.25T1 = 1500 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
2.1 kgk = 460 N/mA = 8 cmx = 2 cm

k = 460 N/m인 스프링에 매단 2.1 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 8 cm로 진동한다. 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.1 kgk = 460 N/mA = 8 cmx = 2 cm
v = m/s
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. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgk = 360 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 50 kN/mζ = 0.6m = 20 kg

강성 50 kN/m인 스프링에 달린 20 kg 질량에 감쇠비 0.6을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk = 50 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 20k2​ = 80m = 5 kg

5 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 20 kN/m, k₂ = 80 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: t = 11.33 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·34/6 = 11.33 s

답

t = 11.33 s

그 순간 경찰차는 2v = 68 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: s = 481.5 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 2·9 = 18 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·9² = 81 m
s2 = 18·20 = 360 m
s3 = 18²/(2·4) = 40.5 m

총거리

s = 81 + 360 + 40.5 = 481.5 m

답

s = 481.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.368 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° − 0.2·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.1813) = 2.368 m/s²

답

a = 2.368 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 18.39 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (19.62 − 14.71)/8 = 0.6131 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6·0.6131 + 14.71 = 18.39 N

답

T = 18.39 N
5.포물선 운동

답: y = 3.755 m

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

벽까지의 시간

vx = 10·cos 60° = 5 m/s
t = x/vx = 5/5 = 1 s

그 시각의 높이

y = 8.66·1 − ½·9.81·1² = 3.755 m

답

y = 3.755 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 35.82 m

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

초기 속도 분해

vx = 8.208 m/s, vy = 22.55 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

5 = 22.55·t − 4.905·t²
t = (22.55 + √(22.55² − 2·9.81·5))/9.81 = 4.364 s

수평 거리

x = vx·t = 8.208·4.364 = 35.82 m

답

x = 35.82 m
7.원운동

답: vmax = 22.59 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) = √(0.8·9.81·65) = 22.59 m/s

답

vmax = 22.59 m/s (81.31 km/h)
8.원운동

답: vmax = 27.35 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 아래를 향합니다.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(60·9.81·0.8464/0.666) = 27.35 m/s

답

vmax = 27.35 m/s
(98.46 km/h)
9.일과 에너지

답: h = 2.446 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 = 6 cm = 0.06 m
½kx² = ½·2000·0.06² = 3.6 J

높이

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N
h = ½kx²/(mg) = 3.6/1.472 = 2.446 m

답

h = 2.446 m
10.일과 에너지

답: d = 4.199 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 = ½·3000·0.15² = 33.75 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 33.75/(9.81·(0.5736 + 0.3·0.8192)) = 4.199 m

답

d = 4.199 m
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 132000 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1000·22/2200 = 10 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1000·22² = 242000 J
Kafter = ½·2200·10² = 110000 J

잃은 에너지

ΔK = 242000 − 110000 = 132000 J

답

ΔK = 132000 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 370 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·(16 + 21) = 3.7 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 3.7/0.01 = 370 N

답

Favg = 370 N
13.강체의 회전

답: Pavg = 3.06 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·800/60 = 83.78 rad/s

에너지

E = ½·I·ω² = ½·37.5·83.78² = 131595 J

평균 동력

Pavg = E/t = 131595/43 = 3060 W = 3.06 kW

답

Pavg = 3.06 kW
14.강체의 회전

답: μs = 0.2309

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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 30°/1.667 = 2.943 m/s²

필요한 마찰

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0.6667·tan 30°/1.667 = 0.2309

답

μs = 0.2309
15.기어와 기어열

답: T2 = 113.4 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157.1 = 47.75 N·m

출력 토크

T2 = 47.75·40/16·0.95 = 113.4 N·m

답

T2 = 113.4 N·m
16.기어와 기어열

답: P = 4.783 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 = 3.008 rad

이완측 장력

eμθ = e0.752 = 2.121, T₂ = 1500/2.121 = 707.1 N

전력

P = (1500 − 707.1)·6.032 = 4.783 kW

답

P = 4.783 kW
17.용수철과 진자

답: v = 1.146 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 = √(460/2.1) = 14.8 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 14.8·√(0.08² − 0.02²) = 1.146 m/s

답

v = 1.146 m/s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.3656 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 = 0.5·9.81/360 = 0.01362 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(360/0.5) = 26.83 rad/s
vmax = A·ω = 0.01362·26.83 = 0.3656 m/s

답

vmax = 0.3656 m/s
19.기계 진동

답: fd = 6.366 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 = √(50000/20) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7.958 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.958·√(1 − 0.6²) = 6.366 Hz

답

fd = 6.366 Hz
20.기계 진동

답: keq = 100 kN/m

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

나란히 놓인 스프링은 처짐이 같고 힘이 더해지므로 강성을 그냥 더합니다: k = k1 + k2.

keq = 20 + 80 = 100 kN/m

답

keq = 100 kN/m

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