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)5.455 s30

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

v₀ = 108 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 10 m/s15 m

지면에서 15 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 10 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 7.7 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5.5 m/sd = 7.7 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg1.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = ?15°R = 115 m

평지에서 공을 수평 위 15°로 발사하자 115 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 15°R = 115 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 50 mv0​ = 27 m/s60°α = ?

50 m 절벽 꼭대기에서 공을 27 m/s, 수평 위 60°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 27 m/sθ = 60°h = 50 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.원운동보통
r = 95 m11 m/s

800 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 11 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 95 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 800 kgv = 11 m/sr = 95 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
θ = 8°중심 방향vmax​ = ?

반지름 100 m인 커브가 8° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 100 mθ = 8°μs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
30°d = 3 mμ = 0.1

질량 1 kg인 블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 3 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 30°μ = 0.1d = 3 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
2 kg5 kgμ = 0.25d = 1.5 m

2 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.25) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 5 kgμ = 0.25d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
7 kg68 m/s11 kgv′2​ = ?

수평으로 34 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 7 kg 파편은 68 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 11 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 34 m/sm1 = 7 kgv′1 = 68 m/sm2 = 11 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1300 kg14 m/s1900 kg12 m/sθ = ?

교차로에서 동쪽으로 14 m/s로 달리던 1300 kg 자동차가 북쪽으로 12 m/s로 달리던 1900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 방향 θ을(를) 동쪽에서 북쪽으로 잰 각으로 구하시오.

m1 = 1300 kgv1 = 14 m/s (E)m2 = 1900 kgv2 = 12 m/s (N)
θ = °
13.강체의 회전보통
n = 2300 rpmTb​ = 160 N·mI = 27 kg·m²

관성 모멘트가 27 kg·m²인 플라이휠이 2300 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 160 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 27 kg·m²n = 2300 rpmTb = 160 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
0.75 m0.35 mn1​ = 40 rpm

사람이 마찰 없는 턴테이블 위에 서서 양손에 1.5 kg의 아령을 하나씩 축에서 0.75 m 떨어져 들고 있다. 사람과 턴테이블만의 축에 대한 관성 모멘트는 2 kg·m²이다. 이들이 40 rpm으로 돌다가 아령을 축에서 0.35 m까지 끌어당긴다. 아령은 질점으로 취급한다. 새 속도 n2을(를) rpm으로 구하시오.

I0 = 2 kg·m²m = 2 × 1.5 kgr1 = 0.75 mr2 = 0.35 mn1 = 40 rpm
n2 = rpm
15.기어와 기어열보통
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 400 NP = ?

벨트가 100 mm 구동 풀리 위를 1500 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 1000 N, 이완측 400 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 100 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1000 NT2 = 400 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm960 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

평벨트가 960 rpm의 100 mm 구동 풀리를 315 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 500 mm입니다. 마찰계수는 0.35이고 긴장측 장력은 500 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 100 mmn1 = 960 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0.35T1 = 500 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
L = 1.8 mT = 4.37 s

다른 행성의 우주 비행사가 길이 1.8 m인 단진자의 작은 진동 주기가 4.37 s임을 알아낸다. 그 행성의 중력 가속도 g을(를) 구하시오.

L = 1.8 mT = 4.37 s
g = m/s²
18.용수철과 진자어려움
1.4 kgk = 120 N/m

k = 120 N/m인 늘어나지 않은 수직 스프링의 아래 끝에 1.4 kg 질량을 달고 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 스프링의 최대 늘어난 길이 xmax을(를) cm로 구하시오.

m = 1.4 kgk = 120 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.기계 진동보통
tx15 mm1주기7 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 15 mm 다음 한 주기 뒤에 최댓값 7 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 15 mmx1 = 7 mmn = 1
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 10k2​ = 40m = 5 kg

5 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 10 kN/m, k₂ = 40 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 81.82 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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·5.5) = 81.82 m

답

s = 81.82 m
2.운동학

답: hmax = 20.1 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.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 10²/(2·9.81) = 5.097 m

지면으로부터의 높이

hmax = 15 + 5.097 = 20.1 m

답

hmax = 20.1 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2002

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) = 5.5²/(2·7.7) = 1.964 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.964/9.81 = 0.2002

답

μ = 0.2002
4.뉴턴 법칙

답: T = 11.32 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) = (14.71 − 0)/6.5 = 2.264 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5·2.264 + 0 = 11.32 N

답

T = 11.32 N
5.포물선 운동

답: v0 = 47.5 m/s

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 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·115/sin 30°) = 47.5 m/s

답

v0 = 47.5 m/s
6.포물선 운동

답: α = 70.95 °

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.

초기 속도 분해

vx = 27·cos 60° = 13.5 m/s
vy0 = 27·sin 60° = 23.38 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(23.38² + 2·9.81·50) = 39.09 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 39.09/13.5 → α = 70.95°

답

α = 70.95°
7.원운동

답: N = 6829 N

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 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 800·9.81 − 800·11²/95 = 7848 − 1019 = 6829 N

답

N = 6829 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: vmax = 23.7 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 = √(100·9.81·0.5353/0.9346) = 23.7 m/s

답

vmax = 23.7 m/s
(85.33 km/h)
9.일과 에너지

답: Wf = 2.549 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 = 9.81·0.866 = 8.496 N
F = μN = 0.1·8.496 = 0.8496 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 0.8496·3 = 2.549 J

답

Wf = 2.549 J
10.일과 에너지

답: v = 4.35 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 = 49.05·1.5 = 73.58 J
μ·m₁g·d = 0.25·19.62·1.5 = 7.357 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 66.22 → v = √(2·66.22/7) = 4.35 m/s

답

v = 4.35 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = 12.36 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 = 18·34 = 612 kg·m/s

충돌 후 운동량

612 = 7·68 + 11·v′2
v′2 = (612 − 476)/11 = 12.36 m/s

답

v′2 = 12.36 m/s
12.운동량과 충돌

답: θ = 51.4 °

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.

운동량 성분

px = 1300·14 = 18200 kg·m/s
py = 1900·12 = 22800 kg·m/s

방향

tan θ = py/px = 1.253 → θ = 51.4°

답

θ = 51.4°
13.강체의 회전

답: t = 40.64 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·2300/60 = 240.9 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 160/27 = 5.926 rad/s²
t = ω/α = 240.9/5.926 = 40.64 s

답

t = 40.64 s
14.강체의 회전

답: n2 = 62.3 rpm

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.

관성 모멘트

I1 = 2 + 2·1.5·0.75² = 3.688 kg·m²
I2 = 2 + 2·1.5·0.35² = 2.367 kg·m²

각운동량 보존

n2 = n1·I1/I2 = 40·3.688/2.367 = 62.3 rpm

답

n2 = 62.3 rpm

운동 에너지가 증가합니다. 늘어난 에너지는 사람이 아령을 끌어당기며 한 일에서 나옵니다.

15.기어와 기어열

답: P = 4.712 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.

벨트 속도

v = 7.854 m/s

전력

P = (1000 − 400)·7.854 = 4712 W = 4.712 kW

답

P = 4.712 kW
16.기어와 기어열

답: P = 1.539 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 = 2.708 rad

이완측 장력

eμθ = e0.9479 = 2.58, T₂ = 500/2.58 = 193.8 N

전력

P = (500 − 193.8)·5.027 = 1.539 kW

답

P = 1.539 kW
17.용수철과 진자

답: g = 3.721 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 = 4π²·1.8/4.37² = 3.721 m/s²

답

g = 3.721 m/s²
18.용수철과 진자

답: xmax = 22.89 cm

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 = 1.4·9.81/120 = 0.1144 m = A

최저점

xmax = 2A = 0.2289 m = 22.89 cm

답

xmax = 22.89 cm
19.기계 진동

답: ζ = 0.1204

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(15/7) = 0.7621

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7621/√(39.48 + 0.5809) = 0.1204

답

ζ = 0.1204
20.기계 진동

답: keq = 50 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

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

keq = 10 + 40 = 50 kN/m

답

keq = 50 kN/m

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