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)4.167 s25

90 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
a = 36 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 36 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 36 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
15 kg15°F = 80 Nμ = 0.3

15 kg 썰매를 수평 위 15° 방향의 로프로 80 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 80 Nθ = 15°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 30°블록v₀ = 8 m/s

블록을 밀어 30° 경사로 위로 8 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 8 m/sθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
19 my = ?v0​ = 22 m/s40°

평지에서 공을 22 m/s, 수평 위 40°로 19 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 22 m/sθ = 40°x = 19 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 32 m/s30°H = ?

30 m 절벽 꼭대기에서 공을 32 m/s, 수평 위 30°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 32 m/sθ = 30°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
θ = 10°중심 방향v = ?

반지름 190 m인 커브가 10° 기울어져 있다. 자동차가 마찰 없이도 이 커브를 돌 수 있는 속력 v은(는) 얼마인가? g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

r = 190 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 1 m10.5 m/svtop​ = ?

길이 1 m의 가벼운 줄에 매단 0.7 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgr = 1 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
45°d = 8 mμ = 0.4

블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. 경사면을 따라 8 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 45°μ = 0.4d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 1 mμ = 0.3k = 1000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 2.5 mL = 1 mμ = 0.3k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
2 kg5 m/s1 kg

5 m/s로 움직이는 질량 2 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 1 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1300 kgv1​ = ?1900 kg

1300 kg 자동차가 주차된 1900 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 18.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.75이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1300 kgm2 = 1900 kgd = 18.5 mμ = 0.75g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
8 kgaαM = 16 kgR = 0.45 m

질량 8 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 16 kg, 반지름 0.45 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 물체의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 8 kgM = 16 kgR = 0.45 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.강체의 회전어려움
0.65 m0.15 mn1​ = 45 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 3 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.65 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 5 kg·m²이다. 이들이 45 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.15 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 5 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0.65 mr2 = 0.15 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
N1​ = 45N2​ = 80

1450 rpm으로 도는 15 kW 모터가 잇수 45개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 80개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 45N2 = 80η = 100%
T1 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 32C = 18D = 32

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 32개)를 구동한다. 기어 C(잇수 18개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 32개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 18B = 32C = 18D = 32
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 0.7 m

단진자의 길이는 0.7 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 0.7 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
1.8 kgk = 380 N/m

k = 380 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1.8 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 1.8 kgk = 380 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 50 kN/mc = 350 N·s/mm = 250 kg

250 kg 질량이 강성 50 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 350 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 250 kgk = 50 kN/mc = 350 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 10m = 100 kg

100 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 60 kN/m, k₂ = 10 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 100 kgk1 = 60 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 52.08 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 = 90/3.6 = 25 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·6) = 52.08 m

답

s = 52.08 m
2.운동학

답: hmax = 756.5 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

동력 비행 단계

v₁ = 36·3 = 108 m/s
h₁ = ½·36·3² = 162 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 108²/(2·9.81) = 594.5 m
hmax = 162 + 594.5 = 756.5 m

답

hmax = 756.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.623 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 = 147.2 − 80·sin 15° = 126.4 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 77.27 − 37.93
a = 39.34/15 = 2.623 m/s²

답

a = 2.623 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.845 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 30° + 0.2·cos 30°) = 6.604 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 8²/(2·6.604) = 4.845 m

답

d = 4.845 m
5.포물선 운동

답: y = 9.709 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.

벽까지의 시간

vx = 22·cos 40° = 16.85 m/s
t = x/vx = 19/16.85 = 1.127 s

그 시각의 높이

y = 14.14·1.127 − ½·9.81·1.127² = 9.709 m

답

y = 9.709 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: H = 43.05 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 30° = 16 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 16²/(2·9.81) = 13.05 m

지면으로부터의 높이

H = 30 + 13.05 = 43.05 m

답

H = 43.05 m
7.원운동

답: v = 18.13 m/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.

힘의 평형

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

속력

v = √(r·g·tan θ) = √(190·9.81·tan 10°) = 18.13 m/s

답

v = 18.13 m/s
(65.26 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 42.84 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 = 10.5² − 4·9.81·1 = 71.01 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.7·71.01/1 − 0.7·9.81 = 42.84 N

답

Ttop = 42.84 N
9.일과 에너지

답: v = 8.16 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·(0.7071 − 0.4·0.7071)) = 8.16 m/s

답

v = 8.16 m/s
10.일과 에너지

답: x = 29.38 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 = 19.62·(2.5 − 0.3·1) = 43.16 J

최대 압축량

½kx² = 43.16 → x = √(2·43.16/1000) = 0.2938 m = 29.38 cm

답

x = 29.38 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 6.667 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 = (2 − 1)/(2 + 1)·5 = 1.667 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 1)·5 = 6.667 m/s

답

v′2 = 6.667 m/s
12.운동량과 충돌

답: v1 = 40.61 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.75·9.81·18.5) = 16.5 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·16.5/1300 = 40.61 m/s

답

v1 = 40.61 m/s
(146.2 km/h)
13.강체의 회전

답: a = 4.905 m/s²

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.

물체와 도르래

블록: m·g − T = m·a
도르래: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

가속도

a = m·g/(m + M/2) = 8·9.81/(8 + 8) = 4.905 m/s²

답

a = 4.905 m/s²
14.강체의 회전

답: n2 = 66.03 rpm

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.

관성 모멘트

I1 = 5 + 2·3·0.65² = 7.535 kg·m²
I2 = 5 + 2·3·0.15² = 5.135 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 45·7.535/5.135 = 66.03 rpm

답

n2 = 66.03 rpm

운동 에너지가 증가합니다. 늘어난 에너지는 사람이 아령을 끌어당기며 한 일에서 나옵니다.

15.기어와 기어열

답: T1 = 98.79 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·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151.8 = 98.79 N·m

답

T1 = 98.79 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 303.8 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 = 960·18/32 = 540 rpm = nC

2단

nout = 540·18/32 = 303.8 rpm

답

nout = 303.8 rpm

전체 기어비 = 3.16 : 1

17.용수철과 진자

답: T = 1.678 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(0.7/9.81) = 1.678 s

답

T = 1.678 s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.6752 m/s

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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 1.8·9.81/380 = 0.04647 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(380/1.8) = 14.53 rad/s
vmax = A·ω = 0.04647·14.53 = 0.6752 m/s

답

vmax = 0.6752 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.0495

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·√(50000·250) = 7071 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 350/7071 = 0.0495

답

ζ = 0.0495

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 4.211 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 = 60 + 10 = 70 kN/m

고유 진동수

ωn = √(70000/100) = 26.46 rad/s
fn = 26.46/(2π) = 4.211 Hz

답

fn = 4.211 Hz

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