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)3.333 s20

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

v₀ = 72 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 8 m/s35 m

지면에서 35 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 = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
5 kg4 kg

5 kg과 4 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 4 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 7.5 kg1.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 7.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 7.5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s20°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 35 m/s35°α = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 35 m/s, 수평 위 35°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 35 m/sθ = 35°h = 40 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
r = 125 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 125 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 125 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 1.4 mv = 9 m/s

길이 1.4 m인 줄에 매단 질량 1.7 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 9 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.7 kgr = 1.4 mv = 9 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
100 km/h

평평한 도로를 100 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 100 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 500 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 2.5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
2 kgv = ?15 gh = 15 cm

15 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 2 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 15 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 2 kgh = 15 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1 kgv = ?12 g20°L = 0.8 m

12 g 총알을 길이 0.8 m의 가벼운 줄에 매달린 1 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 20°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 1 kgL = 0.8 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
v = ?L = 1.8 mm = 5 kg

질량 5 kg, 길이 1.8 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 있고 수평 위치에서 정지 상태로 놓인다. 마찰은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 수직 위치를 지날 때 자유단의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgL = 1.8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.강체의 회전어려움
θ = 20°as = 6 m

균일한 구이(가) 수평면과 20°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 6 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 20°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 6 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = ?N2​

두 평행축이 100 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 2 mm, 감속비 4 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 피니언의 잇수 N1은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 100 mmm = 2 mmi = 4
N1 =
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 40C = 30D = 48

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 40개)를 구동한다. 기어 C(잇수 30개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 48개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 18B = 40C = 30D = 48
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.9 s

k = 130 N/m인 스프링에 매단 0.7 kg 질량을 양의 방향으로 4 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.9 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 0.7 kgk = 130 N/mA = 4 cmt = 0.9 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
0.4 kgk = 180 N/m

k = 180 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 0.4 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgk = 180 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 4 kN/mζ = 0.4m = 15 kg

강성 4 kN/m인 스프링에 달린 15 kg 질량에 감쇠비 0.4을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 15 kgk = 4 kN/mζ = 0.4
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 10k3​ = 30m = 10 kg

10 kg 질량이 스프링 k₃ = 30 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 10 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 33.33 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 = 72/3.6 = 20 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·6) = 33.33 m

답

s = 33.33 m
2.운동학

답: t = 3.608 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.

−35 = 8·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 8·t − 35 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (8 + √(8² + 2·9.81·35))/9.81 = 3.608 s

답

t = 3.608 s
3.뉴턴 법칙

답: T = 43.6 N

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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (5 − 4)·9.81/(5 + 4) = 1.09 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 4·(9.81 + 1.09) = 43.6 N

답

T = 43.6 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 0.8175 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) = (14.71 − 7.357)/9 = 0.8175 m/s²

답

a = 0.8175 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 1.813 s

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 = 26·cos 20° = 24.43 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 20° = 8.893 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·8.893/9.81 = 1.813 s

답

t = 1.813 s
6.포물선 운동

답: α = 50.24 °

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.

초기 속도 분해

vx = 35·cos 35° = 28.67 m/s
vy0 = 35·sin 35° = 20.08 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(20.08² + 2·9.81·40) = 34.46 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 34.46/28.67 → α = 50.24°

답

α = 50.24°
7.원운동

답: vmax = 22.15 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) = √(0.4·9.81·125) = 22.15 m/s

답

vmax = 22.15 m/s (79.73 km/h)
8.원운동

답: T = 115 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 = 1.7·9.81 + 1.7·9²/1.4 = 16.68 + 98.36 = 115 N

답

T = 115 N
9.일과 에너지

답: d = 49.16 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.8·9.81) = 49.16 m

답

d = 49.16 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: x = 45.66 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 = 24.53·(2.5 − 0.15·2.5) = 52.12 J

최대 압축량

½kx² = 52.12 → x = √(2·52.12/500) = 0.4566 m = 45.66 cm

답

x = 45.66 cm
11.운동량과 충돌

답: v = 230.5 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) = √(2·9.81·0.15) = 1.716 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 2)·1.716/0.015 = 230.5 m/s

답

v = 230.5 m/s
12.운동량과 충돌

답: v = 82.05 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) = 0.8·(1 − cos 20°) = 0.04825 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.04825) = 0.9729 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.012·0.9729/0.012 = 82.05 m/s

답

v = 82.05 m/s
13.강체의 회전

답: v = 7.278 m/s

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.

잃은 위치 에너지

m·g·L/2 = 5·9.81·0.9 = 44.15 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 5·1.8²/3 = 5.4 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 44.15 → ω = √(2·44.15/5.4) = 4.044 rad/s
v = ω·L = 4.044·1.8 = 7.278 m/s

답

v = 7.278 m/s
14.강체의 회전

답: t = 2.238 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 = 0.4·m·r²·(a/r) → f = 0.4·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 20°/1.4 = 2.397 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·6/2.397) = 2.238 s

답

t = 2.238 s
15.기어와 기어열

답: N1 = 20

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·100/2 = 100

비율로 나누기

N1 = 100/(1 + 4) = 20

답

N1 = 20
16.기어와 기어열

답: nout = 270 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 = 960·18/40 = 432 rpm = nC

2단

nout = 432·30/48 = 270 rpm

답

nout = 270 rpm

전체 기어비 = 3.556 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 3.82 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 = √(130/0.7) = 13.63 rad/s
ω·t = 13.63·0.9 = 12.26 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(12.26) = 3.82 cm

답

x = 3.82 cm
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.4624 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 = 0.4·9.81/180 = 0.0218 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(180/0.4) = 21.21 rad/s
vmax = A·ω = 0.0218·21.21 = 0.4624 m/s

답

vmax = 0.4624 m/s
19.기계 진동

답: fd = 2.382 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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(4000/15) = 16.33 rad/s
fn = 16.33/(2π) = 2.599 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.599·√(1 − 0.4²) = 2.382 Hz

답

fd = 2.382 Hz
20.기계 진동

답: fn = 6.397 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 = 25 + 10 = 35 kN/m
keq = 35·30/(35 + 30) = 16.15 kN/m

고유 진동수

ωn = √(16154/10) = 40.19 rad/s
fn = 40.19/(2π) = 6.397 Hz

답

fn = 6.397 Hz

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