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 m/s²s = 600 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 600 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2 m/s²s = 600 m
v = m/s
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 8 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 = 8 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 17 kg

질량 17 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 17 kgθ = 40°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 10.5 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 10.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 10.5 m/sθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
53 my = ?v0​ = 28 m/s35°

평지에서 공을 28 m/s, 수평 위 35°로 53 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 28 m/sθ = 35°x = 53 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
2 mv0​ = 15 m/s35°x = ?

지면에서 공을 15 m/s, 수평 위 35°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 2 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 15 m/sθ = 35°hroof = 2 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 25 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 25 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 = 25 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.2 mv = ?

길이 1.2 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1.2 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
72 km/h5°800 kg

800 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 72 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 250 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 800 kgθ = 5°Fr = 250 Nv = 72 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 3 mμ = 0.15k = 5000 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 2 mL = 3 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?10 gh = 22 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 22 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 4.5 kgh = 22 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
29 m/s18 m/s

질량 0.45 kg인 공이 29 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 18 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 5 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 29 m/svout = 18 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 1600 rpmTb​ = 10 N·mI = 27 kg·m²

관성 모멘트가 27 kg·m²인 플라이휠이 1600 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 10 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 27 kg·m²n = 1600 rpmTb = 10 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 20°as = 8.5 m

얇은 후프이(가) 수평면과 20°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 8.5 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 20°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 8.5 m
t = s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 3, 2900 rpm

2900 rpm의 3 kW 모터가 줄 수 3인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 72개이고 구동 장치의 효율은 85%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 3Nw = 72n = 2900 rpmP = 3 kWη = 85%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 36B = 40C = 15D = 60

1450 rpm의 15 kW 모터가 기어 A(잇수 36개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 40개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 15개)는 출력축의 기어 D(잇수 60개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 98%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 15 kWnin = 1450 rpmA = 36B = 40C = 15D = 60ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
1.1 kgk = 370 N/mA = 18 cmx = 17 cm

k = 370 N/m인 스프링에 매단 1.1 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 18 cm로 진동한다. 평형점에서 17 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.1 kgk = 370 N/mA = 18 cmx = 17 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
4 kgk = 200 N/m200 m/s

200 m/s로 움직이는 8 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 4 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 200 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 8 gv = 200 m/sM = 4 kgk = 200 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
k = 100 kN/mc = 70 N·s/mm = 2 kg

2 kg 질량이 강성 100 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 70 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 100 kN/mc = 70 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 80m = 10 kg

10 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 40 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 80 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: v = 48.99 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) = √(2·2·600) = 48.99 m/s

답

v = 48.99 m/s
(176.4 km/h)
2.운동학

답: t = 3.216 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.

−25 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·25))/9.81 = 3.216 s

답

t = 3.216 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.051 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 40° − 0.3·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.2298) = 4.051 m/s²

답

a = 4.051 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 11.63 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 20° + 0.15·cos 20°) = 4.738 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 10.5²/(2·4.738) = 11.63 m

답

d = 11.63 m
5.포물선 운동

답: y = 10.92 m

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

벽까지의 시간

vx = 28·cos 35° = 22.94 m/s
t = x/vx = 53/22.94 = 2.311 s

그 시각의 높이

y = 16.06·2.311 − ½·9.81·2.311² = 10.92 m

답

y = 10.92 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 18.16 m

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

초기 속도 분해

vx = 12.29 m/s, vy = 8.604 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

2 = 8.604·t − 4.905·t²
t = (8.604 + √(8.604² − 2·9.81·2))/9.81 = 1.478 s

수평 거리

x = vx·t = 12.29·1.478 = 18.16 m

답

x = 18.16 m
7.원운동

답: vmax = 11.07 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) = √(0.5·9.81·25) = 11.07 m/s

답

vmax = 11.07 m/s (39.87 km/h)
8.원운동

답: vmin = 3.431 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1.2) = 3.431 m/s

답

vmin = 3.431 m/s
9.일과 에너지

답: P = 18.68 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 5° = 684 N
F = 684 + 250 = 934 N

전력

v = 72/3.6 = 20 m/s
P = F·v = 934·20 = 18680 W = 18.68 kW

답

P = 18.68 kW
10.일과 에너지

답: x = 5.515 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 = 4.905·(2 − 0.15·3) = 7.603 J

최대 압축량

½kx² = 7.603 → x = √(2·7.603/5000) = 0.05515 m = 5.515 cm

답

x = 5.515 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 937 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 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.22) = 2.078 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 4.5)·2.078/0.01 = 937 m/s

답

v = 937 m/s
12.운동량과 충돌

답: J = 21.15 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 = 0.45·(18 + 29) = 21.15 N·s

답

J = 21.15 N·s
13.강체의 회전

답: N = 6032 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·1600/60 = 167.6 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·27·167.6² = 378993 J
θ = 378993/10 = 37899 rad

회전수

N = θ/2π = 6032 rev

답

N = 6032 rev
14.강체의 회전

답: t = 3.183 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 20°/2 = 1.678 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·8.5/1.678) = 3.183 s

답

t = 3.183 s
15.기어와 기어열

답: Tw = 201.5 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 2900·3/72 = 120.8 rpm

출력 토크

ωw = 2π·120.8/60 = 12.65 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.85·3000/12.65 = 201.5 N·m

답

Tw = 201.5 N·m
16.기어와 기어열

답: Tout = 421.7 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.

출력 회전 속도

nout = 1450·(36/40)·(15/60) = 326.3 rpm
ωout = 2π·326.3/60 = 34.16 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 15000·0.98² = 14406 W
Tout = Pout/ωout = 14406/34.16 = 421.7 N·m

답

Tout = 421.7 N·m
17.용수철과 진자

답: v = 1.085 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 = √(370/1.1) = 18.34 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 18.34·√(0.18² − 0.17²) = 1.085 m/s

답

v = 1.085 m/s
18.용수철과 진자

답: A = 5.651 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) = 0.008·200/4.008 = 0.3992 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(200/4.008) = 7.064 rad/s

진폭

A = V/ω = 0.3992/7.064 = 0.05651 m = 5.651 cm

답

A = 5.651 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.07826

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·√(100000·2) = 894.4 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 70/894.4 = 0.07826

답

ζ = 0.07826

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 8.219 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 = 1/40 + 1/80 → keq = 40·80/(40 + 80) = 26.67 kN/m

고유 진동수

ωn = √(26667/10) = 51.64 rad/s
fn = 51.64/(2π) = 8.219 Hz

답

fn = 8.219 Hz

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