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)1.818 s10

36 km/h로 달리던 자동차가 5.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 36 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 2.1 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 2.1 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°a = ?m = 9 kg

질량 9 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 9 kgθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
9 kg5 kgTF = 35 Nμ = 0.1

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 35 N이 앞쪽의 5 kg 블록을 끌고, 9 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 5 kgF = 35 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/sθ = ?R = 30 m

평지에서 공을 18 m/s로 발사해 30 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 = 18 m/sR = 30 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 35 mv0​ = 13 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 = 13 m/sθ = 40°h = 35 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 100 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 100 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 100 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.8 m9 m/svtop​ = ?

길이 0.8 m의 가벼운 줄에 매단 1.1 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 9 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1.1 kgr = 0.8 mvbottom = 9 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
0.15 kgk = 800 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 800 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.15 kg 공을 올려놓고 스프링을 4 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.15 kgk = 800 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.일과 에너지어려움
h = 7.8 mR = 3 mN = ?

1 kg 수레가 반지름 3 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 7.8 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 7.8 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.운동량과 충돌보통
2000 kg13 m/s1100 kg

13 m/s로 움직이는 2000 kg 자동차가 정지해 있는 1100 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 2000 kgv1 = 13 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
10 m/s15 m/s

질량 0.15 kg인 공이 10 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 15 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 10 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.15 kgvin = 10 m/svout = 15 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
n = 2200 rpmTb​ = 10 N·mI = 0.5 kg·m²

관성 모멘트가 0.5 kg·m²인 플라이휠이 2200 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 10 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 0.5 kg·m²n = 2200 rpmTb = 10 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
θ = 25°vs = 1 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 25°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 반지름은 0.35 m이다. 경사면을 따라 1 m 구른 뒤의 각속도 ω을(를) 구하시오.

θ = 25°s = 1 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.35 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = ?N2​

두 평행축이 225 mm 떨어져 있다. 두 축을 모듈 5 mm, 감속비 5 : 1인 한 쌍의 스퍼 기어로 연결해야 한다. 피니언의 잇수 N1은(는) 몇 개여야 하는가?

a = 225 mmm = 5 mmi = 5
N1 =
16.기어와 기어열어려움
Ns​ = 20링 고정Np​ = 20nc​ = ?

유성 기어 장치에서 태양 기어의 잇수는 20개, 각 유성 기어의 잇수는 20개이다. 링 기어는 고정되어 있고 태양 기어는 3000 rpm으로 구동된다. 유성 캐리어의 회전 속도 nc을(를) 구하시오.

Ns = 20Np = 20ns = 3000 rpm
nc = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 0.8 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 0.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
2.5 kgk = 190 N/mA = 6 cm

k = 190 N/m인 용수철에 매단 2.5 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgk = 190 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
k = 200 kN/mζ = 0.3m = 25 kg

강성 200 kN/m인 스프링에 달린 25 kg 질량에 감쇠비 0.3을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk = 200 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 40k2​ = 30m = 25 kg

25 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 40 kN/m, k₂ = 30 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 25 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 9.091 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 = 36/3.6 = 10 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·5.5) = 9.091 m

답

s = 9.091 m
2.운동학

답: d = 20.42 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·(2.1 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 720.3 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·720.3))/(2·4.905) = 2.04 s

깊이

d = ½·9.81·2.04² = 20.42 m

답

d = 20.42 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.206 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 30° − 0.2·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.1732) = 3.206 m/s²

답

a = 3.206 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 1.519 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (35 − 13.73)/14 = 1.519 m/s²

답

a = 1.519 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 32.64 °

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

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·30/18² = 0.9083

위상각

2θ = 65.28° → θ = 32.64°

답

θ = 32.64°

다른 해는 90° − θ = 57.36°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 36.4 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 = 13·cos 40° = 9.959 m/s
vy = v0·sin θ = 13·sin 40° = 8.356 m/s

체공 시간

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

0 = 35 + 8.356·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.356 + √(69.83 + 686.7))/9.81 = 3.656 s

수평 거리

x = vx·t = 9.959·3.656 = 36.4 m

답

x = 36.4 m
7.원운동

답: vmax = 19.81 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.

마찰력이 구심력을 제공한다

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.4·9.81·100) = 19.81 m/s

답

vmax = 19.81 m/s (71.31 km/h)
8.원운동

답: Ttop = 57.42 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.

꼭대기에서의 속력

높이 2r에 걸쳐 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀝니다.

vtop² = 9² − 4·9.81·0.8 = 49.61 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.1·49.61/0.8 − 1.1·9.81 = 57.42 N

답

Ttop = 57.42 N
9.일과 에너지

답: h = 0.4349 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).

스프링 에너지

x = 4 cm = 0.04 m
½kx² = ½·800·0.04² = 0.64 J

높이

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N
h = ½kx²/(mg) = 0.64/1.472 = 0.4349 m

답

h = 0.4349 m
10.일과 에너지

답: N = 1.962 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(7.8 − 6) = 35.32 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
N = mv²/R − mg = 1·35.32/3 − 9.81 = 1.962 N

답

N = 1.962 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

11.운동량과 충돌

답: ΔK = 59968 J

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.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 2000·13/3100 = 8.387 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·2000·13² = 169000 J
Kafter = ½·3100·8.387² = 109032 J

잃은 에너지

ΔK = 169000 − 109032 = 59968 J

답

ΔK = 59968 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 375 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 = 0.15·(15 + 10) = 3.75 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 3.75/0.01 = 375 N

답

Favg = 375 N
13.강체의 회전

답: N = 211.2 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·2200/60 = 230.4 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·0.5·230.4² = 13269 J
θ = 13269/10 = 1327 rad

회전수

N = θ/2π = 211.2 rev

답

N = 211.2 rev
14.강체의 회전

답: ω = 6.718 rad/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 = 1·sin 25° = 0.4226 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 = √(2·9.81·0.4226/1.5) = 2.351 m/s
ω = v/r = 2.351/0.35 = 6.718 rad/s

답

ω = 6.718 rad/s
15.기어와 기어열

답: N1 = 15

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.

총 잇수

N1 + N2 = 2a/m = 2·225/5 = 90

비율로 나누기

N1 = 90/(1 + 5) = 15

답

N1 = 15
16.기어와 기어열

답: nc = 750 rpm

유성 기어 장치: 태양 기어, 링, 캐리어의 속도는 윌리스 식 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns로 연결됩니다. 캐리어에서 보면 장치는 유성 기어가 아이들 기어인 보통 기어열입니다. 한 요소를 고정하면 장치는 단일 감속비의 감속기가 됩니다.

링 기어 잇수

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·20 = 60

링 고정일 때의 윌리스 식

nr = 0으로 두고 캐리어 속도를 구합니다.

(3000 − nc)/(0 − nc) = −60/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 3000·20/80 = 750 rpm

답

nc = 750 rpm

캐리어는 태양 기어와 같은 방향으로 돕니다.

17.용수철과 진자

답: L = 0.159 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·(0.8/2π)² = 0.159 m

답

L = 0.159 m
18.용수철과 진자

답: amax = 4.56 m/s²

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 = √(190/2.5) = 8.718 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.06·8.718² = 4.56 m/s²

답

amax = 4.56 m/s²
19.기계 진동

답: fd = 13.58 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 = √(200000/25) = 89.44 rad/s
fn = 89.44/(2π) = 14.24 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 14.24·√(1 − 0.3²) = 13.58 Hz

답

fd = 13.58 Hz
20.기계 진동

답: fn = 8.422 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

나란히 놓인 스프링은 처짐이 같고 힘이 더해지므로 강성을 그냥 더합니다: k = k1 + k2.

keq = 40 + 30 = 70 kN/m

고유 진동수

ωn = √(70000/25) = 52.92 rad/s
fn = 52.92/(2π) = 8.422 Hz

답

fn = 8.422 Hz

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