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 = ?20

72 km/h로 달리던 자동차가 8 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 72 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)5 s

트램이 정지 상태에서 출발해 5 s 동안 2.5 m/s²로 가속한 다음, 9 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 총 이동 시간 t을(를) 구하시오.

a1 = 2.5 m/s²t1 = 5 st2 = 9 sa3 = −3.5 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°20 kgF = ?

20 kg 상자를 수평과 40°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 20 kgθ = 40°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1 kg1 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 1 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1 kgm2 = 1 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 45 m

평지에서 공을 34 m/s로 발사해 45 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 = 34 m/sR = 45 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 12 m/s40°H = ?

40 m 절벽 꼭대기에서 공을 12 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 12 m/sθ = 40°h = 40 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
r = 80 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 80 m의 원호인 도로의 둔덕 꼭대기를 지난다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 속력 vmax이(가) 얼마를 넘으면 꼭대기에서 바퀴가 도로에서 떨어지는가?

r = 80 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 10°중심 방향vmax​ = ?

반지름 180 m인 커브가 10° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 180 mθ = 10°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
15°d = 20 mμ = 0.1

질량 1 kg인 블록이 수평과 15°를 이루는 경사면을 20 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 15°μ = 0.1d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
F = 90 N15°μ = 0.2515 kg

15 kg 블록이 15° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 90 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 4 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 90 Nθ = 15°μ = 0.25d = 4 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
7 kg69 m/s2 kgv′2​ = ?

수평으로 35 m/s로 움직이던 9 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 7 kg 파편은 69 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 2 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 9 kgu = 35 m/sm1 = 7 kgv′1 = 69 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kgv1​ = ?1700 kg

900 kg 자동차가 주차된 1700 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 22.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.8이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgm2 = 1700 kgd = 22.5 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 800 rpmTb​ = 105 N·mI = 38 kg·m²

관성 모멘트가 38 kg·m²인 플라이휠이 800 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 105 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 38 kg·m²n = 800 rpmTb = 105 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
520 m/s40 g0.7 mL = 1.5 m9.5 kgφ

질량 9.5 kg, 길이 1.5 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 40 g의 총알이 수평으로 520 m/s로 날아와 회전축보다 0.7 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 연직선에서 가장 크게 흔들리는 각도 φ을(를) 구하시오.

M = 9.5 kgL = 1.5 mm = 40 gv = 520 m/sd = 0.7 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.기어와 기어열보통
N1​ = 18N2​ = 24

2900 rpm으로 도는 3 kW 모터가 잇수 18개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 24개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 96%이다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 24η = 96%
T1 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 24B = 40C = 12D = ?

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 24개)가 2880 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 40개)를 구동한다. 기어 C(잇수 12개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D를 구동한다. 출력은 259.2 rpm으로 돌아야 한다. 기어 D의 잇수 ND은(는) 몇 개여야 하는가?

nin = 2880 rpmA = 24B = 40C = 12nout = 259.2 rpm
ND =
17.용수철과 진자보통
L = 1.3 m

단진자의 길이는 1.3 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 1.3 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
2 kgk = 340 N/mA = 3 cm

k = 340 N/m인 용수철에 매단 2 kg 물체를 평형 위치에서 3 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 340 N/mA = 3 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 150 kN/mc = 820 N·s/mm = 50 kg

50 kg 질량이 강성 150 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 820 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 50 kgk = 150 kN/mc = 820 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 80k3​ = 20m = 50 kg

50 kg 질량이 스프링 k₃ = 20 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 40 kN/m, k₂ = 80 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 2.5 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 = 72/3.6 = 20 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/8 = 2.5 s

답

t = 2.5 s
2.운동학

답: t = 17.57 s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

최고 속력

v = a1·t1 = 2.5·5 = 12.5 m/s

제동 시간

t3 = v/a3 = 12.5/3.5 = 3.571 s

총 시간

t = 5 + 9 + 3.571 = 17.57 s

답

t = 17.57 s
3.뉴턴 법칙

답: F = 171.2 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 126.1 + 45.09 = 171.2 N

답

F = 171.2 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 6.131 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) = (9.81 − 2.453)/2 = 3.679 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·3.679 + 2.453 = 6.131 N

답

T = 6.131 N
5.포물선 운동

답: θ = 11.23 °

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 = 9.81·45/34² = 0.3819

위상각

2θ = 22.45° → θ = 11.23°

답

θ = 11.23°

다른 해는 90° − θ = 78.77°입니다.

6.포물선 운동

답: H = 43.03 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 = 12·sin 40° = 7.713 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 7.713²/(2·9.81) = 3.032 m

지면으로부터의 높이

H = 40 + 3.032 = 43.03 m

답

H = 43.03 m
7.원운동

답: vmax = 28.01 m/s

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.

수직항력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·80) = 28.01 m/s

답

vmax = 28.01 m/s
(100.9 km/h)
8.원운동

답: vmax = 26.25 m/s

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.

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 = √(180·9.81·0.3706/0.9501) = 26.25 m/s

답

vmax = 26.25 m/s
(94.48 km/h)
9.일과 에너지

답: Wf = 18.95 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 = 9.81·0.9659 = 9.476 N
F = μN = 0.1·9.476 = 0.9476 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 0.9476·20 = 18.95 J

답

Wf = 18.95 J
10.일과 에너지

답: v = 2.956 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 = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 38.09 N
μ·mg·cos θ = 35.53 N

일–에너지

½mv² = (90 − 73.62)·4 = 65.52 J
v = √(2·65.52/15) = 2.956 m/s

답

v = 2.956 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −84 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 = 9·35 = 315 kg·m/s

충돌 후 운동량

315 = 7·69 + 2·v′2
v′2 = (315 − 483)/2 = −84 m/s

답

v′2 = −84 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 54.29 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.8·9.81·22.5) = 18.79 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2600·18.79/900 = 54.29 m/s

답

v1 = 54.29 m/s
(195.4 km/h)
13.강체의 회전

답: t = 30.32 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.

각속도

ω = 2π·800/60 = 83.78 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 105/38 = 2.763 rad/s²
t = ω/α = 83.78/2.763 = 30.32 s

답

t = 30.32 s
14.강체의 회전

답: φ = 37.95 °

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.

충돌 후의 관성 모멘트

I = M·L²/3 + m·d² = 9.5·1.5²/3 + 0.04·0.7² = 7.145 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.04·520·0.7/7.145 = 2.038 rad/s

흔들리는 동안의 에너지

½·I·ω² = ½·7.145·2.038² = 14.84 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 70.17·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 14.84/70.17 = 0.7886 → φ = 37.95°

답

φ = 37.95°
15.기어와 기어열

답: T1 = 9.879 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.

모터 토크

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303.7 = 9.879 N·m

답

T1 = 9.879 N·m
16.기어와 기어열

답: ND = 80

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.

중간축 속도

nB = nC = 2880·24/40 = 1728 rpm

기어 D의 잇수

ND = C·nC/nout = 12·1728/259.2 = 80

답

ND = 80
17.용수철과 진자

답: T = 2.287 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(1.3/9.81) = 2.287 s

답

T = 2.287 s
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.3912 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 = √(340/2) = 13.04 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.03·13.04 = 0.3912 m/s

답

vmax = 0.3912 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.1497

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·√(150000·50) = 5477 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 820/5477 = 0.1497

답

ζ = 0.1497

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 2.947 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 + 80 = 120 kN/m
keq = 120·20/(120 + 20) = 17.14 kN/m

고유 진동수

ωn = √(17143/50) = 18.52 rad/s
fn = 18.52/(2π) = 2.947 Hz

답

fn = 2.947 Hz

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