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)5.556 s25

90 km/h로 달리던 자동차가 4.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 18 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 18 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 = 18 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 7 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 7 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 12 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 7 m/sd = 12 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
4 kg8 kgTF = 35 Nμ = 0.25

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 35 N이 앞쪽의 8 kg 블록을 끌고, 4 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 8 kgF = 35 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 30 m/s40°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 30 m/s65°H = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 30 m/s, 수평 위 65°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 절벽 밑 지면으로부터의 최고 높이 H을(를) 구하시오.

v₀ = 30 m/sθ = 65°h = 25 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.원운동보통
L = 0.9 m15°

길이 0.9 m인 줄에 매단 작은 공이 수평 원운동을 하며, 줄은 연직과 일정한 각 15°를 이룬다(원뿔 진자). g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공의 속력 v을(를) 구하시오.

L = 0.9 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
R = 4 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 4 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 4 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
45°d = 13 mμ = 0.3

질량 5 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 13 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.3이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 45°μ = 0.3d = 13 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 2 mL = 4 mμ = 0.1k = 2500 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.1)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 2 mL = 4 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
1.5 kg2 m/s3 kg

2 m/s로 움직이는 질량 1.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 1.5 kgm2 = 3 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kgv1​ = ?1300 kg

900 kg 자동차가 주차된 1300 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.75이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgm2 = 1300 kgd = 5 mμ = 0.75g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
L = 1.4 mm = 8.5 kgα

질량 8.5 kg, 길이 1.4 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후의 각가속도 α을(를) 구하시오.

m = 8.5 kgL = 1.4 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.강체의 회전어려움
θ = 25°as = 9.5 m

얇은 후프이(가) 수평면과 25°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 9.5 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 25°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 9.5 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = ?N2​

두 평행축이 78.75 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 1.5 mm, 감속비 2.5 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 피니언의 잇수 N1은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 78.75 mmm = 1.5 mmi = 2.5
N1 =
16.기어와 기어열어려움
A = 12B = 36C = 50D = 60

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 12개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 50개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 60개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 12B = 36C = 50D = 60
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 0.7 mT = 2.73 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 0.7 m인 단진자의 작은 진동 주기가 2.73 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 0.7 mT = 2.73 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
2.6 kgk = 260 N/m

k = 260 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 2.6 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량의 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 2.6 kgk = 260 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.기계 진동보통
tx50 mm1주기23.4 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 23.4 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx1 = 23.4 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 100k2​ = 30m = 20 kg

20 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 100 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 30 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 69.44 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 = 90/3.6 = 25 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·4.5) = 69.44 m

답

s = 69.44 m
2.운동학

답: t = 4.563 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.

−20 = 18·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 18·t − 20 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (18 + √(18² + 2·9.81·20))/9.81 = 4.563 s

답

t = 4.563 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2081

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

a = v₀²/(2d) = 7²/(2·12) = 2.042 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.042/9.81 = 0.2081

답

μ = 0.2081
4.뉴턴 법칙

답: T = 11.67 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (35 − 29.43)/12 = 0.4642 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 4·(0.4642 + 2.453) = 11.67 N

답

T = 11.67 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: H = 18.95 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 = 30·cos 40° = 22.98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 40° = 19.28 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 19.28²/(2·9.81) = 18.95 m

답

H = 18.95 m
6.포물선 운동

답: H = 62.68 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 = 30·sin 65° = 27.19 m/s

절벽 위로 올라간 높이

Δh = vy²/(2g) = 27.19²/(2·9.81) = 37.68 m

지면으로부터의 높이

H = 25 + 37.68 = 62.68 m

답

H = 62.68 m
7.원운동

답: v = 0.7825 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.

원의 반지름

r = L·sin θ = 0.9·sin 15° = 0.2329 m

속력

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.2329·9.81·tan 15°) = 0.7825 m/s

답

v = 0.7825 m/s
8.원운동

답: hmin = 10 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 = 2.5·4 = 10 m

답

hmin = 10 m
9.일과 에너지

답: Wf = 135.3 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 = 49.05·0.7071 = 34.68 N
F = μN = 0.3·34.68 = 10.41 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 10.41·13 = 135.3 J

답

Wf = 135.3 J
10.일과 에너지

답: x = 15.85 cm

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 = 19.62·(2 − 0.1·4) = 31.39 J

최대 압축량

½kx² = 31.39 → x = √(2·31.39/2500) = 0.1585 m = 15.85 cm

답

x = 15.85 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = −0.6667 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 = (1.5 − 3)/(1.5 + 3)·2 = −0.6667 m/s
v′2 = 2·1.5/(1.5 + 3)·2 = 1.333 m/s

답

v′1 = −0.6667 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 20.97 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) = √(2·0.75·9.81·5) = 8.578 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2200·8.578/900 = 20.97 m/s

답

v1 = 20.97 m/s
(75.48 km/h)
13.강체의 회전

답: α = 10.51 rad/s²

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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.4) = 10.51 rad/s²

답

α = 10.51 rad/s²
14.강체의 회전

답: t = 3.027 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 25°/2 = 2.073 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·9.5/2.073) = 3.027 s

답

t = 3.027 s
15.기어와 기어열

답: N1 = 30

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·78.75/1.5 = 105

비율로 나누기

N1 = 105/(1 + 2.5) = 30

답

N1 = 30
16.기어와 기어열

답: nout = 266.7 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 = 960·12/36 = 320 rpm = nC

2단

nout = 320·50/60 = 266.7 rpm

답

nout = 266.7 rpm

전체 기어비 = 3.6 : 1

17.용수철과 진자

답: g = 3.708 m/s²

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.

g 구하기

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.7/2.73² = 3.708 m/s²

답

g = 3.708 m/s²
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.981 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.

평형점과 진폭

x₀ = m·g/k = 2.6·9.81/260 = 0.0981 m = A

최대 속력

속력은 평형점에서 가장 큽니다.

ω = √(260/2.6) = 10 rad/s
vmax = A·ω = 0.0981·10 = 0.981 m/s

답

vmax = 0.981 m/s
19.기계 진동

답: ζ = 0.12

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.

대수 감쇠율

δ = (1/1)·ln(50/23.4) = 0.7593

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7593/√(39.48 + 0.5765) = 0.12

답

ζ = 0.12
20.기계 진동

답: fn = 5.406 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

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

1/keq = 1/100 + 1/30 → keq = 100·30/(100 + 30) = 23.08 kN/m

고유 진동수

ωn = √(23077/20) = 33.97 rad/s
fn = 33.97/(2π) = 5.406 Hz

답

fn = 5.406 Hz

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