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)4.274 s27.78

100 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 6 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 6 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
30 kg20°F = 160 Nμ = 0.25

30 kg 썰매를 수평 위 20° 방향의 로프로 160 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 30 kgF = 160 Nθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg2.5 kgθ = 20°

20° 경사로 위의 2.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 2.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 2.5 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?60°R = 135 m

평지에서 공을 수평 위 60°로 발사하자 135 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 60°R = 135 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 32 m/s55°H = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 32 m/s, 수평 위 55°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 32 m/sθ = 55°h = 45 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 2.8 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 2.8 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 2.8 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = 6 m/s

길이 0.5 m인 줄에 매단 질량 1.2 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 6 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgr = 0.5 mv = 6 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
90 km/h

평평한 도로를 90 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.4이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 90 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
F = 90 N15°μ = 0.210 kg

10 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 90 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. 블록이 경사면을 따라 3 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 kgF = 90 Nθ = 15°μ = 0.2d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
2.5 kgv = ?15 gh = 9 cm

15 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 2.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 9 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 2.5 kgh = 9 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1.5 kgv = ?8 g40°L = 1.5 m

8 g 총알을 길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매달린 1.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 gM = 1.5 kgL = 1.5 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
0 → 3000 rpmI = 31 kg·m²

모터가 관성 모멘트 31 kg·m²의 플라이휠을 정지 상태에서 58 s 만에 3000 rpm까지 올린다. 손실을 무시할 때 모터가 내는 평균 일률 Pavg을(를) kW로 구하시오.

I = 31 kg·m²n = 3000 rpmt = 58 s
Pavg = kW
14.강체의 회전어려움
θ = 35°as = 4.5 m

속 빈 구이(가) 수평면과 35°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 4.5 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 35°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 4.5 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 40N2​ = 72

1440 rpm으로 도는 15 kW 모터가 잇수 40개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 72개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 96%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 15 kWn1 = 1440 rpmN1 = 40N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 36B = 50C = 12D = 36

2900 rpm의 11 kW 모터가 기어 A(잇수 36개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 50개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 12개)는 출력축의 기어 D(잇수 36개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 98%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 11 kWnin = 2900 rpmA = 36B = 50C = 12D = 36ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.65 s

k = 280 N/m인 스프링에 매단 0.3 kg 질량을 양의 방향으로 8 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.65 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgk = 280 N/mA = 8 cmt = 0.65 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 310 N/mA = 9 cm

k = 310 N/m인 용수철에 매단 2.5 kg 물체를 평형 위치에서 9 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgk = 310 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
k = 1 kN/mc = 10 N·s/mm = 10 kg

10 kg 질량이 강성 1 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 10 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 10 kgk = 1 kN/mc = 10 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 60m = 20 kg

20 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 60 kN/m, k₂ = 60 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 59.35 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·6.5) = 59.35 m

답

s = 59.35 m
2.운동학

답: hmax = 21.83 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 6²/(2·9.81) = 1.835 m

지면으로부터의 높이

hmax = 20 + 1.835 = 21.83 m

답

hmax = 21.83 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.015 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 160·sin 20° = 239.6 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 150.4 − 59.89
a = 90.46/30 = 3.015 m/s²

답

a = 3.015 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.536 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

줄 방향의 힘

m₂·g = 24.53 N
m₁·g·sin θ = 8.388 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.457 N

계의 가속도

a = (24.53 − 8.388 − 3.457)/5 = 2.536 m/s²

답

a = 2.536 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 39.11 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·135/sin 120°) = 39.11 m/s

답

v0 = 39.11 m/s
6.포물선 운동

답: H = 80.02 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

처음 수직 속력

vy = 32·sin 55° = 26.21 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 26.21²/(2·9.81) = 35.02 m

지면으로부터의 높이

H = 45 + 35.02 = 80.02 m

답

H = 80.02 m
7.원운동

답: ω = 2.237 rad/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.7·2.8)) = 2.237 rad/s

답

ω = 2.237 rad/s
8.원운동

답: T = 98.17 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 = 1.2·9.81 + 1.2·6²/0.5 = 11.77 + 86.4 = 98.17 N

답

T = 98.17 N
9.일과 에너지

답: d = 79.64 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).

기본 단위의 속력

v = 90/3.6 = 25 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0.4·9.81) = 79.64 m

답

d = 79.64 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 5.234 m/s

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).

경사면 방향의 힘

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
mg·sin θ = 25.39 N
μ·mg·cos θ = 18.95 N

일–에너지

½mv² = (90 − 44.34)·3 = 137 J
v = √(2·137/10) = 5.234 m/s

답

v = 5.234 m/s
11.운동량과 충돌

답: v = 222.8 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

충돌 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.09) = 1.329 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 2.5)·1.329/0.015 = 222.8 m/s

답

v = 222.8 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 494.6 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.5·(1 − cos 40°) = 0.3509 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.3509) = 2.624 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.508·2.624/0.008 = 494.6 m/s

답

v = 494.6 m/s
13.강체의 회전

답: Pavg = 26.38 kW

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

각속도

ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

에너지

E = ½·I·ω² = ½·31·314.2² = 1.53 × 10⁶ J

평균 동력

Pavg = E/t = 1.53 × 10⁶/58 = 26376 W = 26.38 kW

답

Pavg = 26.38 kW
14.강체의 회전

답: t = 1.633 s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

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 35°/1.667 = 3.376 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·4.5/3.376) = 1.633 s

답

t = 1.633 s
15.기어와 기어열

답: T2 = 171.9 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/150.8 = 99.47 N·m

출력 토크

T2 = 99.47·72/40·0.96 = 171.9 N·m

답

T2 = 171.9 N·m
16.기어와 기어열

답: Tout = 144.9 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

출력 회전 속도

nout = 2900·(36/50)·(12/36) = 696 rpm
ωout = 2π·696/60 = 72.88 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 11000·0.98² = 10564 W
Tout = Pout/ωout = 10564/72.88 = 144.9 N·m

답

Tout = 144.9 N·m
17.용수철과 진자

답: x = 4.267 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

각주파수

ω = √(280/0.3) = 30.55 rad/s
ω·t = 30.55·0.65 = 19.86 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 8·cos(19.86) = 4.267 cm

답

x = 4.267 cm
18.용수철과 진자

답: amax = 11.16 m/s²

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 = √(310/2.5) = 11.14 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.09·11.14² = 11.16 m/s²

답

amax = 11.16 m/s²
19.기계 진동

답: ζ = 0.05

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·√(1000·10) = 200 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 10/200 = 0.05

답

ζ = 0.05

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: keq = 120 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 = 60 + 60 = 120 kN/m

답

keq = 120 kN/m

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