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)1.3 s20

72 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.3 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 5.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 72 km/htr = 1.3 sa = −5.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
AB: 20 m/s20 m

공 A를 높이 20 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 20 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 20 mv0B = 20 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 8 kg

질량 8 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 8 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 8 kg1.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 8 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 8 kgm2 = 1.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/s30°x = ?

공을 평지에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 36 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 16 m/s15°수평 도달 거리

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 16 m/sθ = 15°h = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
L = 0.7 m40°

길이 0.7 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 40°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 0.7 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
R = 1 mh = 3.9 m

3.5 kg 수레가 마찰 없는 트랙 위 높이 3.9 m에서 정지 상태로 놓여 반지름 1 m의 연직 루프를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 Ntop을(를) 구하시오.

m = 3.5 kgh = 3.9 mR = 1 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.일과 에너지보통
35°d = 11 mμ = 0.3

질량 2 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 11 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 35°μ = 0.3d = 11 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 25 N25°μ = 0.152 kg

2 kg 블록이 25° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 25 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록이 경사면을 따라 8 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2 kgF = 25 Nθ = 25°μ = 0.15d = 8 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
15 kg38 m/s3 kgv′2​ = ?

수평으로 21 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 15 kg 파편은 38 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 3 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 21 m/sm1 = 15 kgv′1 = 38 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
20 m/s15 m/s

질량 0.5 kg인 공이 20 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 15 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgvin = 20 m/svout = 15 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
v = ?L = 1.6 mm = 4.5 kg

질량 4.5 kg, 길이 1.6 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 = 4.5 kgL = 1.6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.강체의 회전어려움
2 m/sω

질량 19.5 kg의 균일한 구이(가) 2 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 중 회전 운동 에너지가 차지하는 비율 p을(를) 퍼센트로 구하시오.

m = 19.5 kgv = 2 m/sI = (2/5)·m·r²
p = %
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 1, 1450 rpm

1450 rpm의 0.75 kW 모터가 줄 수 1인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 60개이고 구동 장치의 효율은 80%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 1Nw = 60n = 1450 rpmP = 0.75 kWη = 80%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 40B = 80C = 16D = ?

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 40개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 16개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D를 구동한다. 출력은 307.2 rpm으로 돌아야 한다. 기어 D의 잇수 ND은(는) 몇 개여야 하는가?

nin = 960 rpmA = 40B = 80C = 16nout = 307.2 rpm
ND =
17.용수철과 진자보통
2.2 kgk = 250 N/mA = 16 cmx = 2 cm

k = 250 N/m인 스프링에 매단 2.2 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 16 cm로 진동한다. 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.2 kgk = 250 N/mA = 16 cmx = 2 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
mk = 330 N/mA = 16 cmx = 3 cm

k = 330 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 16 cm로 진동한다. 평형점에서 3 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 330 N/mA = 16 cmx = 3 cm
K = J
19.기계 진동보통
k = 200 kN/mc = 2740 N·s/mm = 150 kg

150 kg 질량이 강성 200 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 2740 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 150 kgk = 200 kN/mc = 2740 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 15k3​ = 12m = 5 kg

5 kg 질량이 스프링 k₃ = 12 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 15 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 62.36 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

반응 거리

d1 = v₀·tr = 20·1.3 = 26 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 20²/(2·5.5) = 36.36 m

합계

d = 26 + 36.36 = 62.36 m

답

d = 62.36 m
2.운동학

답: t = 1 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

20 − ½g·t² = 20·t − ½g·t² → t = 20/20 = 1 s

답

t = 1 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.823 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 35° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

답

a = 4.823 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 12.39 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) = (14.71 − 0)/9.5 = 1.549 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 8·1.549 + 0 = 12.39 N

답

T = 12.39 N
5.포물선 운동

답: x = 114.4 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 = 36·cos 30° = 31.18 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 30° = 18 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·18/9.81 = 3.67 s

수평 거리

x = vx·t = 31.18·3.67 = 114.4 m

답

x = 114.4 m
6.포물선 운동

답: t = 1.516 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 = 16·cos 15° = 15.45 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 15° = 4.141 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 4.141·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4.141 + √(17.15 + 98.1))/9.81 = 1.516 s

답

t = 1.516 s
7.원운동

답: v = 1.925 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 0.7·sin 40° = 0.45 m

속력

장력과 중력이 함께 안쪽 힘을 줍니다: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(0.45·9.81·tan 40°) = 1.925 m/s

답

v = 1.925 m/s
8.원운동

답: Ntop = 96.14 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·(3.9 − 2·1) = 37.28 m²/s²

힘

중심 방향을 양으로.

N = m·v²/R − m·g = 3.5·37.28/1 − 34.34 = 96.14 N

답

Ntop = 96.14 N
9.일과 에너지

답: Wf = 53.04 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 19.62·0.8192 = 16.07 N
F = μN = 0.3·16.07 = 4.822 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 4.822·11 = 53.04 J

답

Wf = 53.04 J
10.일과 에너지

답: v = 10.6 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 8.292 N
μ·mg·cos θ = 2.667 N

일–에너지

½mv² = (25 − 10.96)·8 = 112.3 J
v = √(2·112.3/2) = 10.6 m/s

답

v = 10.6 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −64 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 = 18·21 = 378 kg·m/s

충돌 후 운동량

378 = 15·38 + 3·v′2
v′2 = (378 − 570)/3 = −64 m/s

답

v′2 = −64 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 1750 N

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 변화

J = m·Δv = 0.5·(15 + 20) = 17.5 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 17.5/0.01 = 1750 N

답

Favg = 1750 N
13.강체의 회전

답: v = 6.862 m/s

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.

잃은 위치 에너지

m·g·L/2 = 4.5·9.81·0.8 = 35.32 J

핀에 대한 관성 모멘트

IO = m·L²/3 = 4.5·1.6²/3 = 3.84 kg·m²

에너지 수지

½·IO·ω² = 35.32 → ω = √(2·35.32/3.84) = 4.289 rad/s
v = ω·L = 4.289·1.6 = 6.862 m/s

답

v = 6.862 m/s
14.강체의 회전

답: p = 28.57 %

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 = ½·19.5·2² = 39 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·39 = 15.6 J

회전 비율

p = 15.6/54.6·100% = c/(1 + c)·100% = 28.57%

답

p = 28.57 %

비율은 모양에만 달려 있고 질량이나 속력에는 무관합니다.

15.기어와 기어열

답: Tw = 237.1 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 1450·1/60 = 24.17 rpm

출력 토크

ωw = 2π·24.17/60 = 2.531 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.8·750/2.531 = 237.1 N·m

답

Tw = 237.1 N·m
16.기어와 기어열

답: ND = 25

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.

중간축 속도

nB = nC = 960·40/80 = 480 rpm

기어 D의 잇수

ND = C·nC/nout = 16·480/307.2 = 25

답

ND = 25
17.용수철과 진자

답: v = 1.692 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 = √(250/2.2) = 10.66 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 10.66·√(0.16² − 0.02²) = 1.692 m/s

답

v = 1.692 m/s
18.용수철과 진자

답: K = 4.075 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·330·0.16² = 4.224 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·330·0.03² = 0.1485 J

운동 에너지

K = 4.224 − 0.1485 = 4.075 J

답

K = 4.075 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.2501

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·√(200000·150) = 10954 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 2740/10954 = 0.2501

답

ζ = 0.2501

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 6.838 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 + 15 = 40 kN/m
keq = 40·12/(40 + 12) = 9.231 kN/m

고유 진동수

ωn = √(9231/5) = 42.97 rad/s
fn = 42.97/(2π) = 6.838 Hz

답

fn = 6.838 Hz

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