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)t = ?22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −5 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 2.4 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 2.4 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
6 kg3.5 kg

6 kg과 3.5 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 = 6 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9.5 kg3.5 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 9.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 3.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 3.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
100 my = ?v0​ = 40 m/s65°

평지에서 공을 40 m/s, 수평 위 65°로 100 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 40 m/sθ = 65°x = 100 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
15 mv0​ = 39 m/s50°x = ?

지면에서 공을 39 m/s, 수평 위 50°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 15 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 39 m/sθ = 50°hroof = 15 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 4 mω = ?

놀이공원의 로터에서 탑승자는 반지름 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 각속도 ω을(를) rad/s로 구하시오.

r = 4 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.원운동어려움
θ = 30°중심 방향vmax​ = ?

반지름 260 m인 커브가 30° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 260 mθ = 30°μs = 0.25g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
60 km/h

평평한 도로를 60 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.6이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 60 km/hμ = 0.6g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
2 kg4 kgμ = 0.1d = 1.5 m

2 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.1) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 4 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 4 kgμ = 0.1d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4.5 kg12 m/s5 kg

12 m/s로 움직이는 질량 4.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 4.5 kgm2 = 5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
4.5 kgv = ?8 g15°L = 1.3 m

8 g 총알을 길이 1.3 m의 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 15°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 gM = 4.5 kgL = 1.3 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
n = 2600 rpmTb​ = 20 N·mI = 4 kg·m²

관성 모멘트가 4 kg·m²인 플라이휠이 2600 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 20 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 4 kg·m²n = 2600 rpmTb = 20 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 10°vs = 8 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 10°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 8 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 10°s = 8 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 25, m = 2 mm

1440 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 25개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 4 kWn = 1440 rpmN1 = 25m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

평벨트가 2880 rpm의 125 mm 구동 풀리를 315 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 500 mm입니다. 마찰계수는 0.3이고 긴장측 장력은 500 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 125 mmn1 = 2880 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0.3T1 = 500 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 1.2 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 1.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 1100 N/m450 m/s

450 m/s로 움직이는 15 g 총알이 마찰 없는 면 위에 정지해 있는 2.5 kg 블록에 맞아 박힌다. 블록은 k = 1100 N/m인 수평 스프링에 연결되어 있다. 이로 인한 진동의 진폭 A을(를) cm로 구하시오.

m = 15 gv = 450 m/sM = 2.5 kgk = 1100 N/m
A = cm
19.기계 진동보통
k = 8 kN/mc = 230 N·s/mm = 40 kg

40 kg 질량이 강성 8 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 230 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 40 kgk = 8 kN/mc = 230 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 30k3​ = 5m = 40 kg

40 kg 질량이 스프링 k₃ = 5 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 40 kN/m, k₂ = 30 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 4.444 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.

단위

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22.22/5 = 4.444 s

답

t = 4.444 s
2.운동학

답: d = 26.47 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(2.4 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 823.2 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·823.2))/(2·4.905) = 2.323 s

깊이

d = ½·9.81·2.323² = 26.47 m

답

d = 26.47 m
3.뉴턴 법칙

답: T = 43.37 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (6 − 3.5)·9.81/(6 + 3.5) = 2.582 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 3.5·(9.81 + 2.582) = 43.37 N

답

T = 43.37 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 27.6 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) = (34.34 − 9.32)/13 = 1.924 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9.5·1.924 + 9.32 = 27.6 N

답

T = 27.6 N
5.포물선 운동

답: y = 42.81 m

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

벽까지의 시간

vx = 40·cos 65° = 16.9 m/s
t = x/vx = 100/16.9 = 5.916 s

그 시각의 높이

y = 36.25·5.916 − ½·9.81·5.916² = 42.81 m

답

y = 42.81 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 138.8 m

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

초기 속도 분해

vx = 25.07 m/s, vy = 29.88 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

15 = 29.88·t − 4.905·t²
t = (29.88 + √(29.88² − 2·9.81·15))/9.81 = 5.539 s

수평 거리

x = vx·t = 25.07·5.539 = 138.8 m

답

x = 138.8 m
7.원운동

답: ω = 2.859 rad/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.

탑승자에 작용하는 힘

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

각속도

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.3·4)) = 2.859 rad/s

답

ω = 2.859 rad/s
8.원운동

답: vmax = 49.66 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 아래를 향합니다.

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

속력

v = √(260·9.81·0.7165/0.741) = 49.66 m/s

답

vmax = 49.66 m/s
(178.8 km/h)
9.일과 에너지

답: d = 23.6 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16.67²/(2·0.6·9.81) = 23.6 m

답

d = 23.6 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 4.317 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 = 39.24·1.5 = 58.86 J
μ·m₁g·d = 0.1·19.62·1.5 = 2.943 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 55.92 → v = √(2·55.92/6) = 4.317 m/s

답

v = 4.317 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −0.6316 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 = (4.5 − 5)/(4.5 + 5)·12 = −0.6316 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 5)·12 = 11.37 m/s

답

v′1 = −0.6316 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 525.3 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.3·(1 − cos 15°) = 0.0443 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.0443) = 0.9323 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.508·0.9323/0.008 = 525.3 m/s

답

v = 525.3 m/s
13.강체의 회전

답: N = 1180 rev

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·2600/60 = 272.3 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·4·272.3² = 148263 J
θ = 148263/20 = 7413 rad

회전수

N = θ/2π = 1180 rev

답

N = 1180 rev
14.강체의 회전

답: v = 4.263 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 = 8·sin 10° = 1.389 m

구름을 포함한 에너지 균형

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

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.5)
v = √(2·9.81·1.389/1.5) = 4.263 m/s

답

v = 4.263 m/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 1061 N

기어의 기하: 모듈 m이 이의 크기를 정합니다. 잇수 N인 기어의 피치원 지름은 d = m·N이고, 맞물리는 두 기어는 모듈이 같으며, 중심 거리는 a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2입니다. 피치원 속도는 v = π·d·n/60이고, 접선 방향 치면력은 토크에서 나옵니다: Ft = 2T/d.

피니언의 토크

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 4000/150.8 = 26.53 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·25 = 50 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·26.53/0.05 = 1061 N

답

Ft = 1061 N
16.기어와 기어열

답: P = 5.306 kW

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.

접촉각

θ = 2.759 rad

이완측 장력

eμθ = e0.8278 = 2.288, T₂ = 500/2.288 = 218.5 N

전력

P = (500 − 218.5)·18.85 = 5.306 kW

답

P = 5.306 kW
17.용수철과 진자

답: L = 0.3578 m

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.

길이 구하기

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.2/2π)² = 0.3578 m

답

L = 0.3578 m
18.용수철과 진자

답: A = 12.83 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.

충돌 후의 속력

V = m·v/(m + M) = 0.015·450/2.515 = 2.684 m/s

각주파수

ω = √(k/(m + M)) = √(1100/2.515) = 20.91 rad/s

진폭

A = V/ω = 2.684/20.91 = 0.1283 m = 12.83 cm

답

A = 12.83 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.2033

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·√(8000·40) = 1131 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 230/1131 = 0.2033

답

ζ = 0.2033

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 1.719 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 = 40 + 30 = 70 kN/m
keq = 70·5/(70 + 5) = 4.667 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4667/40) = 10.8 rad/s
fn = 10.8/(2π) = 1.719 Hz

답

fn = 1.719 Hz

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