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)1.4 s27.78

100 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.4 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 100 km/htr = 1.4 sa = −4 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 15 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 15 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 = 15 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°5 kgF = ?

5 kg 상자를 수평과 20°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6 kg4 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 6 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 6 kgm2 = 4 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/s50°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 31 m/s20°x = ?

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 31 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 35 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 35 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 = 35 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 6 mh = 27 m

4 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 27 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 6 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 바닥에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Nbottom을(를) 구하시오.

m = 4 kgh = 27 mR = 6 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.일과 에너지보통
45°L = 0.8 m5 kg

5 kg 공이 길이 0.8 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 45°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 5 kgL = 0.8 mθ = 45°g = 9.81 m/s²
T = N
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 2000 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 2.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg4 m/s0.5 kg

4 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 0.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 4.5 kgm2 = 0.5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
4.5 kgv = ?5 g15°L = 0.5 m

5 g 총알을 길이 0.5 m의 가벼운 줄에 매달린 4.5 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 = 5 gM = 4.5 kgL = 0.5 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
n = 2400 rpmP = 154.5 kW

축이 2400 rpm에서 154.5 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 154.5 kWn = 2400 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
θ = 30°vs = 5 m

얇은 후프이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 30°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.3 m이다. 경사면을 따라 5 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 30°s = 5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.3 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 36N2​ = 48

2900 rpm으로 도는 3 kW 모터가 잇수 36개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 48개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 95%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 48η = 95%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 1000 mmθ = ?

평벨트가 80 mm 풀리와 200 mm 풀리를 연결하며 두 중심은 1000 mm 떨어져 있습니다. 작은 풀리의 접촉각 θ을(를) 도 단위로 구하시오.

d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.45 s

k = 20 N/m인 스프링에 매단 2.6 kg 질량을 양의 방향으로 12 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.45 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.6 kgk = 20 N/mA = 12 cmt = 1.45 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
4 kgk = 170 N/mA = 7 cm

k = 170 N/m인 용수철에 매단 4 kg 물체를 평형 위치에서 7 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 4 kgk = 170 N/mA = 7 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx20 mm3주기2 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 20 mm 다음 3주기 뒤에 최댓값 2 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 20 mmx3 = 2 mmn = 3
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 20m = 50 kg

50 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 50 kN/m, k₂ = 20 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 135.3 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

반응 거리

d1 = v₀·tr = 27.78·1.4 = 38.89 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·4) = 96.45 m

합계

d = 38.89 + 96.45 = 135.3 m

답

d = 135.3 m
2.운동학

답: t = 4.768 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 = 15·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 15·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (15 + √(15² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.768 s

답

t = 4.768 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 23.69 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 16.78 + 6.914 = 23.69 N

답

F = 23.69 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 28.25 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) = (39.24 − 11.77)/10 = 2.747 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6·2.747 + 11.77 = 28.25 N

답

T = 28.25 N
5.포물선 운동

답: H = 11.96 m

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 = 20·cos 50° = 12.86 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 50° = 15.32 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 15.32²/(2·9.81) = 11.96 m

답

H = 11.96 m
6.포물선 운동

답: x = 83.65 m

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 = 31·cos 20° = 29.13 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 20° = 10.6 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 10.6·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10.6 + √(112.4 + 196.2))/9.81 = 2.872 s

수평 거리

x = vx·t = 29.13·2.872 = 83.65 m

답

x = 83.65 m
7.원운동

답: vmax = 13.1 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) = √(0.5·9.81·35) = 13.1 m/s

답

vmax = 13.1 m/s (47.17 km/h)
8.원운동

답: Nbottom = 392.4 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 = 2·9.81·27 = 529.7 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R + m·g = 4·529.7/6 + 39.24 = 392.4 N

답

Nbottom = 392.4 N
9.일과 에너지

답: T = 77.78 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) = 2·9.81·0.8·(1 − cos 45°) = 4.597 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
T = mg + mv²/L = 49.05 + 5·4.597/0.8 = 77.78 N

답

T = 77.78 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 77.78 N.

10.일과 에너지

답: x = 45.39 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 = 98.1·(2.5 − 0.1·4) = 206 J

최대 압축량

½kx² = 206 → x = √(2·206/2000) = 0.4539 m = 45.39 cm

답

x = 45.39 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 3.2 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 = (4.5 − 0.5)/(4.5 + 0.5)·4 = 3.2 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 0.5)·4 = 7.2 m/s

답

v′1 = 3.2 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 520.9 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 0.5·(1 − cos 15°) = 0.01704 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.01704) = 0.5782 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.505·0.5782/0.005 = 520.9 m/s

답

v = 520.9 m/s
13.강체의 회전

답: T = 614.7 N·m

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·2400/60 = 251.3 rad/s

토크

T = P/ω = 154500/251.3 = 614.7 N·m

답

T = 614.7 N·m
14.강체의 회전

답: ω = 16.51 rad/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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 5·sin 30° = 2.5 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9.81·2.5/2) = 4.952 m/s
ω = v/r = 4.952/0.3 = 16.51 rad/s

답

ω = 16.51 rad/s
15.기어와 기어열

답: T2 = 12.51 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303.7 = 9.879 N·m

출력 토크

T2 = 9.879·48/36·0.95 = 12.51 N·m

답

T2 = 12.51 N·m
16.기어와 기어열

답: θ = 173.1 °

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.

벨트 각도

asin(0.06) = 3.44°

접촉각

θ = 180 − 2·3.44 = 173.1°

답

θ = 173.1°
17.용수철과 진자

답: x = −7.646 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.

각주파수

ω = √(20/2.6) = 2.774 rad/s
ω·t = 2.774·1.45 = 4.022 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 12·cos(4.022) = −7.646 cm

답

x = −7.646 cm
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.4563 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 = √(170/4) = 6.519 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.07·6.519 = 0.4563 m/s

답

vmax = 0.4563 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.1213

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(20/2) = 0.7675

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7675/√(39.48 + 0.5891) = 0.1213

답

ζ = 0.1213
20.기계 진동

답: fn = 5.955 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

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

keq = 50 + 20 = 70 kN/m

고유 진동수

ωn = √(70000/50) = 37.42 rad/s
fn = 37.42/(2π) = 5.955 Hz

답

fn = 5.955 Hz

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