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)6.667 s30

108 km/h로 달리던 자동차가 4.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s40 m

지면에서 40 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 = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 4.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 4.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 6.9 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 4.5 m/sd = 6.9 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg2.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2.5 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 = 2.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?60°R = 150 m

평지에서 공을 수평 위 60°로 발사하자 150 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 60°R = 150 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 10 m/s25°H = ?

45 m 절벽 꼭대기에서 공을 10 m/s, 수평 위 25°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 120 m5 m/s

1300 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 5 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 120 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1300 kgv = 5 m/sr = 120 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 1.5 m11 m/svtop​ = ?

길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매단 1.9 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 11 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.9 kgr = 1.5 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
25°d = 15 mμ = 0.35

블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.35이다. 경사면을 따라 15 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 25°μ = 0.35d = 15 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 1.5 mμ = 0.3k = 5000 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 2.5 mL = 1.5 mμ = 0.3k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
600 kg20 m/s1100 kg

20 m/s로 움직이는 600 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 600 kgv1 = 20 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
2 kgv = ?12 g15°L = 1.8 m

12 g 총알을 길이 1.8 m의 가벼운 줄에 매달린 2 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 15°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 2 kgL = 1.8 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
L = 2.3 mm = 2 kgα

질량 2 kg, 길이 2.3 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후 핀이 막대에 가하는 수직 힘 R을(를) 구하시오.

m = 2 kgL = 2.3 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.강체의 회전어려움
2.5 m/sω

질량 14 kg의 얇은 후프이(가) 2.5 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 14 kgv = 2.5 m/sI = m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
Nw​ = 60z = 4, 960 rpm

줄 수 4인 웜이 960 rpm으로 돌며 잇수 60개인 웜 휠을 구동한다. 휠의 회전 속도 nw을(를) 구하시오.

z = 4Nw = 60n = 960 rpm
nw = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 15B = 45C = 40D = 48

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 15개)가 1450 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 45개)를 구동한다. 기어 C(잇수 40개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 48개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1450 rpmA = 15B = 45C = 40D = 48
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.25 s

k = 280 N/m인 스프링에 매단 2.8 kg 질량을 양의 방향으로 7 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.25 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.8 kgk = 280 N/mA = 7 cmt = 1.25 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
2 kgk = 150 N/mA = 2 cm

k = 150 N/m인 용수철에 매단 2 kg 물체를 평형 위치에서 2 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 150 N/mA = 2 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
tx50 mm3주기23.5 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 23.5 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx3 = 23.5 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 12k3​ = 80m = 100 kg

100 kg 질량이 스프링 k₃ = 80 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 15 kN/m, k₂ = 12 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 100 kgk1 = 15 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 100 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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·4.5) = 100 m

답

s = 100 m
2.운동학

답: t = 3.785 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.

−40 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·40))/9.81 = 3.785 s

답

t = 3.785 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1496

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.

감속도

a = v₀²/(2d) = 4.5²/(2·6.9) = 1.467 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.467/9.81 = 0.1496

답

μ = 0.1496
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.616 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) = (24.53 − 4.905)/7.5 = 2.616 m/s²

답

a = 2.616 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 41.22 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) = √(9.81·150/sin 120°) = 41.22 m/s

답

v0 = 41.22 m/s
6.포물선 운동

답: H = 45.91 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 = 10·sin 25° = 4.226 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 4.226²/(2·9.81) = 0.9103 m

지면으로부터의 높이

H = 45 + 0.9103 = 45.91 m

답

H = 45.91 m
7.원운동

답: N = 12482 N

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.

꼭대기에서의 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 1300·9.81 − 1300·5²/120 = 12753 − 270.8 = 12482 N

답

N = 12482 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: Ttop = 60.07 N

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.

꼭대기에서의 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 11² − 4·9.81·1.5 = 62.14 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.9·62.14/1.5 − 1.9·9.81 = 60.07 N

답

Ttop = 60.07 N
9.일과 에너지

답: v = 5.57 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·15·(0.4226 − 0.35·0.9063)) = 5.57 m/s

답

v = 5.57 m/s
10.일과 에너지

답: x = 6.342 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·(2.5 − 0.3·1.5) = 10.06 J

최대 압축량

½kx² = 10.06 → x = √(2·10.06/5000) = 0.06342 m = 6.342 cm

답

x = 6.342 cm
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 77647 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 600·20/1700 = 7.059 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·600·20² = 120000 J
Kafter = ½·1700·7.059² = 42353 J

잃은 에너지

ΔK = 120000 − 42353 = 77647 J

답

ΔK = 77647 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 183.9 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) = 1.8·(1 − cos 15°) = 0.06133 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.06133) = 1.097 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 2.012·1.097/0.012 = 183.9 m/s

답

v = 183.9 m/s
13.강체의 회전

답: R = 4.905 N

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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·2.3) = 6.398 rad/s²

수직 방향의 힘

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 2·(9.81 − 7.357) = 4.905 N

답

R = 4.905 N

R = m·g/4이며 길이와 무관합니다.

14.강체의 회전

답: p = 50 %

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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·14·2.5² = 43.75 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·43.75 = 43.75 J

회전 비율

p = 43.75/87.5·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

답

p = 50 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: nw = 64 rpm

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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 960·4/60 = 64 rpm

답

nw = 64 rpm
16.기어와 기어열

답: nout = 402.8 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 = 1450·15/45 = 483.3 rpm = nC

2단

nout = 483.3·40/48 = 402.8 rpm

답

nout = 402.8 rpm

전체 기어비 = 3.6 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 6.985 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 = √(280/2.8) = 10 rad/s
ω·t = 10·1.25 = 12.5 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 7·cos(12.5) = 6.985 cm

답

x = 6.985 cm
18.용수철과 진자

답: amax = 1.5 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 = √(150/2) = 8.66 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.02·8.66² = 1.5 m/s²

답

amax = 1.5 m/s²
19.기계 진동

답: ζ = 0.04002

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.

대수 감쇠율

δ = (1/3)·ln(50/23.5) = 0.2517

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2517/√(39.48 + 0.06334) = 0.04002

답

ζ = 0.04002
20.기계 진동

답: fn = 2.261 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 = 15 + 12 = 27 kN/m
keq = 27·80/(27 + 80) = 20.19 kN/m

고유 진동수

ωn = √(20187/100) = 14.21 rad/s
fn = 14.21/(2π) = 2.261 Hz

답

fn = 2.261 Hz

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