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 = ?s = 2400 m

비행기가 이륙하려면 200 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 2400 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 200 km/hs = 2400 m
a = m/s²
2.운동학어려움
v₀ = 11 m/s40 m

지면에서 40 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 11 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 = 11 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°50 kgF = ?

50 kg 상자를 수평과 35°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 50 kgθ = 35°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 8.5 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 8.5 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 = 8.5 m/sθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
48 my = ?v0​ = 28 m/s45°

평지에서 공을 28 m/s, 수평 위 45°로 48 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 = 45°x = 48 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 24 m/s40°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 24 m/sθ = 40°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 125 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 125 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 125 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.9 mv = 5.5 m/s

길이 0.9 m인 줄에 매단 질량 0.3 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 5.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 0.3 kgr = 0.9 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
35°d = 8 mμ = 0.35

블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.35이다. 경사면을 따라 8 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 35°μ = 0.35d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 4.5 mμ = 0.2k = 2000 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 2 mL = 4.5 mμ = 0.2k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3 kg44 m/s5 kgv′2​ = ?

수평으로 39 m/s로 움직이던 8 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 3 kg 파편은 44 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 5 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 8 kgu = 39 m/sm1 = 3 kgv′1 = 44 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1700 kg22 m/s1500 kg25 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 22 m/s로 달리던 1700 kg 자동차가 북쪽으로 25 m/s로 달리던 1500 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1700 kgv1 = 22 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 25 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
n = 3000 rpmTb​ = 105 N·mI = 0.5 kg·m²

관성 모멘트가 0.5 kg·m²인 플라이휠이 3000 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 105 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 0.5 kg·m²n = 3000 rpmTb = 105 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
2 m/sω

질량 14.5 kg의 균일한 구이(가) 2 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 Ek을(를) 구하시오.

m = 14.5 kgv = 2 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.기어와 기어열보통
N1​N2​ = ?

두 평행축이 45 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 1.5 mm, 감속비 3 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 기어의 잇수 N2은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 45 mmm = 1.5 mmi = 3
N2 =
16.기어와 기어열어려움
A = 30B = 32C = 36D = 40

1440 rpm의 15 kW 모터가 기어 A(잇수 30개)를 구동하고, A는 기어 B(잇수 32개)와 맞물린다. B와 같은 축의 기어 C(잇수 36개)는 출력축의 기어 D(잇수 40개)를 구동한다. 각 기어 맞물림의 효율은 96%이다. 출력 토크 Tout을(를) 구하시오.

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 30B = 32C = 36D = 40ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.용수철과 진자보통
L = 0.6 mT = 1.45 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.6 m인 단진자의 작은 진동 주기가 1.45 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.6 mT = 1.45 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
0.6 kgk = 220 N/mA = 4 cm

k = 220 N/m인 용수철에 매단 0.6 kg 물체를 평형 위치에서 4 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgk = 220 N/mA = 4 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
tx50 mm4주기14.2 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 4주기 뒤에 최댓값 14.2 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx4 = 14.2 mmn = 4
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 15k2​ = 15m = 5 kg

5 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 15 kN/m, k₂ = 15 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: a = 0.643 m/s²

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

v = 200/3.6 = 55.56 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 55.56²/(2·2400) = 0.643 m/s²

답

a = 0.643 m/s²
2.운동학

답: t = 4.189 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 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 40 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (11 + √(11² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.189 s

답

t = 4.189 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 442.1 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 = 281.3 + 160.7 = 442.1 N

답

F = 442.1 N
4.뉴턴 법칙

답: d = 7.625 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) = 8.5²/(2·4.738) = 7.625 m

답

d = 7.625 m
5.포물선 운동

답: y = 19.17 m

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

벽까지의 시간

vx = 28·cos 45° = 19.8 m/s
t = x/vx = 48/19.8 = 2.424 s

그 시각의 높이

y = 19.8·2.424 − ½·9.81·2.424² = 19.17 m

답

y = 19.17 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 75.97 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 = 24·cos 40° = 18.39 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 40° = 15.43 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 15.43·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15.43 + √(238 + 392.4))/9.81 = 4.132 s

수평 거리

x = vx·t = 18.39·4.132 = 75.97 m

답

x = 75.97 m
7.원운동

답: vmax = 19.18 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) = √(0.3·9.81·125) = 19.18 m/s

답

vmax = 19.18 m/s (69.05 km/h)
8.원운동

답: T = 13.03 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 = 0.3·9.81 + 0.3·5.5²/0.9 = 2.943 + 10.08 = 13.03 N

답

T = 13.03 N
9.일과 에너지

답: v = 6.71 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 = √(2·9.81·8·(0.5736 − 0.35·0.8192)) = 6.71 m/s

답

v = 6.71 m/s
10.일과 에너지

답: x = 23.23 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 = 49.05·(2 − 0.2·4.5) = 53.96 J

최대 압축량

½kx² = 53.96 → x = √(2·53.96/2000) = 0.2323 m = 23.23 cm

답

x = 23.23 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 36 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 전 운동량

p = M·u = 8·39 = 312 kg·m/s

충돌 후 운동량

312 = 3·44 + 5·v′2
v′2 = (312 − 132)/5 = 36 m/s

답

v′2 = 36 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 16.55 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.

운동량 성분

px = 1700·22 = 37400 kg·m/s
py = 1500·25 = 37500 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 52962/3200 = 16.55 m/s

답

v′ = 16.55 m/s
13.강체의 회전

답: N = 37.4 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·3000/60 = 314.2 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·0.5·314.2² = 24674 J
θ = 24674/105 = 235 rad

회전수

N = θ/2π = 37.4 rev

답

N = 37.4 rev
14.강체의 회전

답: Ek = 40.6 J

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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·14.5·2² = 29 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·29 = 11.6 J

합계

Ek = 29 + 11.6 = 40.6 J

답

Ek = 40.6 J
15.기어와 기어열

답: N2 = 45

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.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·45/1.5 = 60

비율로 나누기

N1 = 60/(1 + 3) = 15
N2 = 3·15 = 45

답

N2 = 45
16.기어와 기어열

답: Tout = 108.6 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 = 1440·(30/32)·(36/40) = 1215 rpm
ωout = 2π·1215/60 = 127.2 rad/s

출력 동력과 토크

Pout = 15000·0.96² = 13824 W
Tout = Pout/ωout = 13824/127.2 = 108.6 N·m

답

Tout = 108.6 N·m
17.용수철과 진자

답: g = 11.27 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.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.6/1.45² = 11.27 m/s²

답

g = 11.27 m/s²
18.용수철과 진자

답: amax = 14.67 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 = √(220/0.6) = 19.15 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.04·19.15² = 14.67 m/s²

답

amax = 14.67 m/s²
19.기계 진동

답: ζ = 0.05002

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 = (1/4)·ln(50/14.2) = 0.3147

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3147/√(39.48 + 0.09903) = 0.05002

답

ζ = 0.05002
20.기계 진동

답: keq = 30 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 = 15 + 15 = 30 kN/m

답

keq = 30 kN/m

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