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 = 1.75 m/s²s = 1100 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 1.75 m/s²로 균일하게 가속한다. 1100 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 1.75 m/s²s = 1100 m
v = m/s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)7 s

트램이 정지 상태에서 출발해 7 s 동안 1.5 m/s²로 가속한 다음, 29 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 1.5 m/s²t1 = 7 st2 = 29 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 5 kg

질량 5 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 35°μ = 0.2g = 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 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 8 m/sθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s35°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 35 mv0​ = 32 m/s40°x = ?

공을 높이 35 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 32 m/sθ = 40°h = 35 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 3.4 mn = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 3.4 m인 수직 원통의 벽에 기대어 선다. 충분히 빨리 돌면 바닥이 내려가고 마찰이 탑승자를 붙잡는다. 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 최소 회전수 n을(를) 분당 회전수로 구하시오.

r = 3.4 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.원운동어려움
θ = 18°중심 방향vmin​ = ?

반지름 220 m인 커브가 18° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 경사면 아래로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 220 mθ = 18°μs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
45°d = 2 mμ = 0.2

질량 4 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 2 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.2이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 4 kgθ = 45°μ = 0.2d = 2 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
4 kg3 kgμ = 0.15d = 1.5 m

4 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.15) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 3 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 3 kgμ = 0.15d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
16 kg16 m/s2 kgv′2​ = ?

수평으로 11 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 16 kg 파편은 16 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 2 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 11 m/sm1 = 16 kgv′1 = 16 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1400 kg15 m/s1900 kg24 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 15 m/s로 달리던 1400 kg 자동차가 북쪽으로 24 m/s로 달리던 1900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1400 kgv1 = 15 m/s (E)m2 = 1900 kgv2 = 24 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1400 rpmTb​ = 135 N·mI = 9.5 kg·m²

관성 모멘트가 9.5 kg·m²인 플라이휠이 1400 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 135 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 9.5 kg·m²n = 1400 rpmTb = 135 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
θ = 15°vs = 9 m

균일한 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 15°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 9 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 15°s = 9 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm1500 rpmn2​ = ?

100 mm 풀리가 1500 rpm으로 돌며 미끄러짐 1 %인 벨트로 500 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.

n1 = 1500 rpmd1 = 100 mmd2 = 500 mms = 1 %
n2 = rpm
16.기어와 기어열어려움
A = 16B = 40C = 20D = 45

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 16개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 40개)를 구동한다. 기어 C(잇수 20개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 45개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 2900 rpmA = 16B = 40C = 20D = 45
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)0.35 s

k = 250 N/m인 스프링에 매단 2.6 kg 질량을 양의 방향으로 6 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 0.35 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.6 kgk = 250 N/mA = 6 cmt = 0.35 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
1.3 kgk = 70 N/mA = 11 cm

k = 70 N/m인 용수철에 매단 1.3 kg 물체를 평형 위치에서 11 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 1.3 kgk = 70 N/mA = 11 cm
E = J
19.기계 진동보통
k = 20 kN/mζ = 0.3m = 8 kg

강성 20 kN/m인 스프링에 달린 8 kg 질량에 감쇠비 0.3을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 8 kgk = 20 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 50k2​ = 25m = 25 kg

25 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 50 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 25 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: v = 62.05 m/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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·1.75·1100) = 62.05 m/s

답

v = 62.05 m/s
(223.4 km/h)
2.운동학

답: s = 357 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 1.5·7 = 10.5 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·1.5·7² = 36.75 m
s2 = 10.5·29 = 304.5 m
s3 = 10.5²/(2·3.5) = 15.75 m

총거리

s = 36.75 + 304.5 + 15.75 = 357 m

답

s = 357 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.02 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° − 0.2·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.1638) = 4.02 m/s²

답

a = 4.02 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 4.293 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 30° + 0.3·cos 30°) = 7.454 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 8²/(2·7.454) = 4.293 m

답

d = 4.293 m
5.포물선 운동

답: t = 3.04 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 35° = 21.3 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 35° = 14.91 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·14.91/9.81 = 3.04 s

답

t = 3.04 s
6.포물선 운동

답: x = 134.6 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 = 32·cos 40° = 24.51 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 40° = 20.57 m/s

체공 시간

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

0 = 35 + 20.57·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (20.57 + √(423.1 + 686.7))/9.81 = 5.493 s

수평 거리

x = vx·t = 24.51·5.493 = 134.6 m

답

x = 134.6 m
7.원운동

답: n = 29.61 rpm

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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.3·3.4)) = 3.101 rad/s

회전수

n = ω·60/(2π) = 29.61 rpm

답

n = 29.61 rpm
8.원운동

답: vmin = 7 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.

힘의 평형

마찰은 경사면 위를 향합니다.

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

속력

v = √(220·9.81·0.0237/1.044) = 7 m/s

답

vmin = 7 m/s
(25.2 km/h)
9.일과 에너지

답: Wf = 11.1 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 = 39.24·0.7071 = 27.75 N
F = μN = 0.2·27.75 = 5.549 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 5.549·2 = 11.1 J

답

Wf = 11.1 J
10.일과 에너지

답: v = 3.177 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 29.43·1.5 = 44.14 J
μ·m₁g·d = 0.15·39.24·1.5 = 8.829 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 35.32 → v = √(2·35.32/7) = 3.177 m/s

답

v = 3.177 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −29 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 = 18·11 = 198 kg·m/s

충돌 후 운동량

198 = 16·16 + 2·v′2
v′2 = (198 − 256)/2 = −29 m/s

답

v′2 = −29 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v′ = 15.21 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 = 1400·15 = 21000 kg·m/s
py = 1900·24 = 45600 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 50203/3300 = 15.21 m/s

답

v′ = 15.21 m/s
13.강체의 회전

답: t = 10.32 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.

각속도

ω = 2π·1400/60 = 146.6 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 135/9.5 = 14.21 rad/s²
t = ω/α = 146.6/14.21 = 10.32 s

답

t = 10.32 s
14.강체의 회전

답: v = 5.714 m/s

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.

내려간 높이

h = s·sin θ = 9·sin 15° = 2.329 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 = √(2·9.81·2.329/1.4) = 5.714 m/s

답

v = 5.714 m/s
15.기어와 기어열

답: n2 = 297 rpm

벨트 구동: 미끄러짐이 없으면 두 풀리의 림 속도가 v = π·d·n/60으로 같으므로 n₁·d₁ = n₂·d₂이고 속도비는 d₂/d₁입니다. 미끄러짐 s가 있으면 종동 풀리가 조금 느려집니다: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). 전달 동력은 P = (T₁ − T₂)·v이며, T₁은 긴장측 장력, T₂는 이완측 장력입니다. 마찰이 장력의 비를 제한합니다: T₁/T₂ = eμθ이며, θ는 작은 풀리의 접촉각(라디안)입니다. 평벨트에서는 축간 거리 C에 대해 θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C))입니다.

미끄러짐 없을 때의 속도

1500·100/500 = 300 rpm

미끄러짐이 있을 때

n2 = 300·0.99 = 297 rpm

답

n2 = 297 rpm
16.기어와 기어열

답: nout = 515.6 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 = 2900·16/40 = 1160 rpm = nC

2단

nout = 1160·20/45 = 515.6 rpm

답

nout = 515.6 rpm

전체 기어비 = 5.625 : 1

17.용수철과 진자

답: x = −5.749 cm

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 = √(250/2.6) = 9.806 rad/s
ω·t = 9.806·0.35 = 3.432 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 6·cos(3.432) = −5.749 cm

답

x = −5.749 cm
18.용수철과 진자

답: E = 0.4235 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.

각주파수

ω = √(70/1.3) = 7.338 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·70·0.11² = 0.4235 J

답

E = 0.4235 J
19.기계 진동

답: fd = 7.591 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 = √(20000/8) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7.958 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.958·√(1 − 0.3²) = 7.591 Hz

답

fd = 7.591 Hz
20.기계 진동

답: keq = 16.67 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 = 1/50 + 1/25 → keq = 50·25/(50 + 25) = 16.67 kN/m

답

keq = 16.67 kN/m

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