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 = 2.25 m/s²s = 1000 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2.25 m/s²로 균일하게 가속한다. 1000 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2.25 m/s²s = 1000 m
v = m/s
2.운동학어려움
a = 36 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 36 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 36 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
6.5 kg5.5 kg

6.5 kg과 5.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6.5 kgm2 = 5.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg0.5 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 1.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 0.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 0.5 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 12 m/sθ = ?R = 5 m

평지에서 공을 12 m/s로 발사해 5 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 12 m/sR = 5 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 30 m/s20°수평 도달 거리

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 20°h = 60 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 0.9 m25°

길이 0.9 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 25°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 한 바퀴 도는 시간 T을(를) 구하시오.

L = 0.9 mθ = 25°g = 9.81 m/s²
T = s
8.원운동어려움
R = 7.5 mh = 30.75 m

0.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 30.75 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 7.5 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 30.75 mR = 7.5 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
70°L = 0.5 m10 kg

10 kg 공이 길이 0.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 70°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 10 kgL = 0.5 mθ = 70°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 2 mμ = 0.1k = 500 N/m

질량 4 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 2.5 mL = 2 mμ = 0.1k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
2.5 kg5 m/s1 kg

5 m/s로 움직이는 질량 2.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 1 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
18 m/s6 m/s

질량 0.2 kg인 공이 18 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 6 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 18 m/svout = 6 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 1300 rpmTb​ = 55 N·mI = 15 kg·m²

관성 모멘트가 15 kg·m²인 플라이휠이 1300 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 55 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 15 kg·m²n = 1300 rpmTb = 55 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
원판: 38 kg고리: 8 kgn1​ = 850 rpm

균일한 원판(질량 38 kg, 반지름 0.45 m)이 마찰 없는 수직 축에서 850 rpm으로 자유롭게 회전한다. 질량 8 kg이고 반지름이 같은 얇은 고리를 정지 상태에서 축 중심에 맞춰 원판 위에 떨어뜨리면, 둘은 곧 함께 회전한다. 둘의 공통 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

Mdisc = 38 kgMring = 8 kgR = 0.45 mn1 = 850 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 30, m = 3 mm

960 rpm으로 도는 2.2 kW 모터가 잇수 30개, 모듈 3 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 2.2 kWn = 960 rpmN1 = 30m = 3 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 20B = 36C = 30D = 32

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 20개)가 1450 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 30개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 32개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1450 rpmA = 20B = 36C = 30D = 32
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.2 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
0.7 kgk = 440 N/mA = 4 cm

k = 440 N/m인 용수철에 매단 0.7 kg 물체를 평형 위치에서 4 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgk = 440 N/mA = 4 cm
E = J
19.기계 진동보통
k = 2 kN/mζ = 0.35m = 20 kg

강성 2 kN/m인 스프링에 달린 20 kg 질량에 감쇠비 0.35을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk = 2 kN/mζ = 0.35
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 50k3​ = 5m = 10 kg

10 kg 질량이 스프링 k₃ = 5 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 50 kN/m, k₂ = 50 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 67.08 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·2.25·1000) = 67.08 m/s

답

v = 67.08 m/s
(241.5 km/h)
2.운동학

답: t = 17.62 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.

동력 비행 단계

v₁ = 36·2 = 72 m/s
h₁ = ½·36·2² = 72 m

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (72 + √(72² + 2·9.81·72))/9.81 = 15.62 s
t = 2 + 15.62 = 17.62 s

답

t = 17.62 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 58.45 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (6.5 − 5.5)·9.81/(6.5 + 5.5) = 0.8175 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 5.5·(9.81 + 0.8175) = 58.45 N

답

T = 58.45 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 4.415 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) = (4.905 − 2.943)/2 = 0.981 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1.5·0.981 + 2.943 = 4.415 N

답

T = 4.415 N
5.포물선 운동

답: θ = 9.957 °

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

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·5/12² = 0.3406

위상각

2θ = 19.91° → θ = 9.957°

답

θ = 9.957°

다른 해는 90° − θ = 80.04°입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.696 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 = 30·cos 20° = 28.19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 20° = 10.26 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 10.26·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10.26 + √(105.3 + 1177))/9.81 = 4.696 s

답

t = 4.696 s
7.원운동

답: T = 1.812 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 = 0.9·sin 25° = 0.3804 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.3804·9.81·tan 25°) = 1.319 m/s

주기

T = 2π·r/v = 2π·0.3804/1.319 = 1.812 s

답

T = 1.812 s
8.원운동

답: Ntop = 15.7 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·(30.75 − 2·7.5) = 309 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 0.5·309/7.5 − 4.905 = 15.7 N

답

Ntop = 15.7 N
9.일과 에너지

답: T = 227.2 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.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.5·(1 − cos 70°) = 6.455 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·6.455/0.5 = 227.2 N

답

T = 227.2 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 227.2 N.

10.일과 에너지

답: x = 60.08 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 = 39.24·(2.5 − 0.1·2) = 90.25 J

최대 압축량

½kx² = 90.25 → x = √(2·90.25/500) = 0.6008 m = 60.08 cm

답

x = 60.08 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 7.143 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 = (2.5 − 1)/(2.5 + 1)·5 = 2.143 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 1)·5 = 7.143 m/s

답

v′2 = 7.143 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 4.8 N·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 변화

J = m·Δv = 0.2·(6 + 18) = 4.8 N·s

답

J = 4.8 N·s
13.강체의 회전

답: t = 37.13 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.

각속도

ω = 2π·1300/60 = 136.1 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 55/15 = 3.667 rad/s²
t = ω/α = 136.1/3.667 = 37.13 s

답

t = 37.13 s
14.강체의 회전

답: n2 = 598.1 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 = ½·38·0.45² = 3.848 kg·m²
I2 = 8·0.45² = 1.62 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 850·3.848/5.468 = 598.1 rpm

답

n2 = 598.1 rpm
15.기어와 기어열

답: Ft = 486.3 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·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 2200/100.5 = 21.88 N·m

피치원 지름

d = m·N = 3·30 = 90 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·21.88/0.09 = 486.3 N

답

Ft = 486.3 N
16.기어와 기어열

답: nout = 755.2 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 = 1450·20/36 = 805.6 rpm = nC

2단

nout = 805.6·30/32 = 755.2 rpm

답

nout = 755.2 rpm

전체 기어비 = 1.92 : 1

17.용수철과 진자

답: L = 1.203 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·(2.2/2π)² = 1.203 m

답

L = 1.203 m
18.용수철과 진자

답: E = 0.352 J

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 = √(440/0.7) = 25.07 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·440·0.04² = 0.352 J

답

E = 0.352 J
19.기계 진동

답: fd = 1.491 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 = √(2000/20) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1.592 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1.592·√(1 − 0.35²) = 1.491 Hz

답

fd = 1.491 Hz
20.기계 진동

답: fn = 3.473 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 = 50 + 50 = 100 kN/m
keq = 100·5/(100 + 5) = 4.762 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4762/10) = 21.82 rad/s
fn = 21.82/(2π) = 3.473 Hz

답

fn = 3.473 Hz

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