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)2.137 s13.89

50 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 50 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 13 m/s10 m

지면에서 10 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 13 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 = 13 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 40°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 30°블록v₀ = 3.5 m/s

블록을 밀어 30° 경사로 위로 3.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 3.5 m/sθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 28 m/sθ = ?R = 30 m

평지에서 공을 28 m/s로 발사해 30 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 28 m/sR = 30 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 15 mv0​ = 17 m/s30°H = ?

15 m 절벽 꼭대기에서 공을 17 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 = 17 m/sθ = 30°h = 15 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 100 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 100 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 = 100 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 10 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 10 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 10 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
54 km/h5°2000 kg

2000 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 54 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 400 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 2000 kgθ = 5°Fr = 400 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 3 mμ = 0.1k = 500 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 3 mL = 3 mμ = 0.1k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
17 kg44 m/s1 kgv′2​ = ?

수평으로 8 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 17 kg 파편은 44 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 1 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 8 m/sm1 = 17 kgv′1 = 44 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
3 kgv = ?5 g40°L = 1.1 m

5 g 총알을 길이 1.1 m의 가벼운 줄에 매달린 3 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 40°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 3 kgL = 1.1 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1900 rpmP = 199.5 kW

축이 1900 rpm에서 199.5 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 199.5 kWn = 1900 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
θ = 25°vs = 8 m

균일한 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 25°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.15 m이다. 경사면을 따라 8 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 25°s = 8 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.15 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 4, 1450 rpm

1450 rpm의 1.5 kW 모터가 줄 수 4인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 30개이고 구동 장치의 효율은 65%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 4Nw = 30n = 1450 rpmP = 1.5 kWη = 65%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 32B = 50C = 32D = 40

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 32개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 50개)를 구동한다. 기어 C(잇수 32개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 40개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 32B = 50C = 32D = 40
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
3.8 kgk = 250 N/mA = 7 cmx = 5 cm

k = 250 N/m인 스프링에 매단 3.8 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 7 cm로 진동한다. 평형점에서 5 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 3.8 kgk = 250 N/mA = 7 cmx = 5 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
0.3 kgk = 40 N/m

k = 40 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 0.3 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 0.3 kgk = 40 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
k = 12 kN/mc = 150 N·s/mm = 12 kg

12 kg 질량이 강성 12 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 150 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 12 kgk = 12 kN/mc = 150 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 10k2​ = 100m = 5 kg

5 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 10 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 100 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 14.84 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 = 50/3.6 = 13.89 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13.89²/(2·6.5) = 14.84 m

답

s = 14.84 m
2.운동학

답: t = 3.273 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.

−10 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 10 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (13 + √(13² + 2·9.81·10))/9.81 = 3.273 s

답

t = 3.273 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.427 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 40° − 0.25·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1915) = 4.427 m/s²

답

a = 4.427 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 0.8217 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° + 0.3·cos 30°) = 7.454 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 3.5²/(2·7.454) = 0.8217 m

답

d = 0.8217 m
5.포물선 운동

답: θ = 11.02 °

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 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·30/28² = 0.3754

위상각

2θ = 22.05° → θ = 11.02°

답

θ = 11.02°

다른 해는 90° − θ = 78.98°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 18.68 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 = 17·sin 30° = 8.5 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 8.5²/(2·9.81) = 3.682 m

지면으로부터의 높이

H = 15 + 3.682 = 18.68 m

답

H = 18.68 m
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) = √(0.5·9.81·100) = 22.15 m/s

답

vmax = 22.15 m/s (79.73 km/h)
8.원운동

답: hmin = 25 m

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 조건

m·g = m·v²/R → v² = g·R

에너지 보존

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·10 = 25 m

답

hmin = 25 m
9.일과 에너지

답: P = 31.65 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 2000·9.81 = 19620 N
mg·sin θ = 19620·sin 5° = 1710 N
F = 1710 + 400 = 2110 N

전력

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 2110·15 = 31650 W = 31.65 kW

답

P = 31.65 kW
10.일과 에너지

답: v = 7.278 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 4.905·(3 − 0.1·3) = 13.24 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.7) = 7.278 m/s

답

v = 7.278 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −604 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 전 운동량

p = M·u = 18·8 = 144 kg·m/s

충돌 후 운동량

144 = 17·44 + 1·v′2
v′2 = (144 − 748)/1 = −604 m/s

답

v′2 = −604 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 1350 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) = 1.1·(1 − cos 40°) = 0.2574 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.2574) = 2.247 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 3.005·2.247/0.005 = 1350 m/s

답

v = 1350 m/s
13.강체의 회전

답: T = 1003 N·m

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.

각속도

ω = 2π·1900/60 = 199 rad/s

토크

T = P/ω = 199500/199 = 1003 N·m

답

T = 1003 N·m
14.강체의 회전

답: ω = 45.89 rad/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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 8·sin 25° = 3.381 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·3.381/1.4) = 6.883 m/s
ω = v/r = 6.883/0.15 = 45.89 rad/s

답

ω = 45.89 rad/s
15.기어와 기어열

답: Tw = 48.16 N·m

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 = 1450·4/30 = 193.3 rpm

출력 토크

ωw = 2π·193.3/60 = 20.25 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.65·1500/20.25 = 48.16 N·m

답

Tw = 48.16 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 1485 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 = 2900·32/50 = 1856 rpm = nC

2단

nout = 1856·32/40 = 1485 rpm

답

nout = 1485 rpm

전체 기어비 = 1.953 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.3974 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.

각주파수

ω = √(250/3.8) = 8.111 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 8.111·√(0.07² − 0.05²) = 0.3974 m/s

답

v = 0.3974 m/s
18.용수철과 진자

답: xmax = 14.71 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 0.3·9.81/40 = 0.07358 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.1472 m = 14.71 cm

답

xmax = 14.71 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.1976

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·√(12000·12) = 758.9 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 150/758.9 = 0.1976

답

ζ = 0.1976

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: keq = 9.091 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

직렬 스프링은 같은 힘을 받고 처짐이 더해지므로 역수로 합성합니다: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/10 + 1/100 → keq = 10·100/(10 + 100) = 9.091 kN/m

답

keq = 9.091 kN/m

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