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
경찰a = 3.5 m/s²자동차30 m/s

일정한 30 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 3.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 30 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
AB: 29 m/s55 m

공 A를 높이 55 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 29 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 지면에서 몇 m 높이 y에서 만나는가?

H = 55 mv0B = 29 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 4.2 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5 m/sd = 4.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 5 kg5.5 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 5.5 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 130 m

평지에서 공을 38 m/s로 발사해 130 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 = 38 m/sR = 130 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 14 m/s55°x = ?

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 14 m/sθ = 55°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 150 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 150 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.5이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 150 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
θ = 25°중심 방향vmax​ = ?

반지름 210 m인 커브가 25° 기울어져 있고, 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 자동차가 위쪽 바깥으로 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 210 mθ = 25°μs = 0.1g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.일과 에너지보통
45°d = 8 mμ = 0.1

질량 10 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 8 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.1이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 1 mμ = 0.2k = 1000 N/m

질량 5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 kgh = 1 mL = 1 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
4 kg57 m/s7 kgv′2​ = ?

수평으로 17 m/s로 움직이던 11 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 4 kg 파편은 57 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 7 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 11 kgu = 17 m/sm1 = 4 kgv′1 = 57 m/sm2 = 7 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
12 m/s8 m/s

질량 0.2 kg인 공이 12 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 8 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 50 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 12 m/svout = 8 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
n = 1800 rpmP = 128.5 kW

축이 1800 rpm에서 128.5 kW를 전달한다. 축의 토크 T을(를) 구하시오.

P = 128.5 kWn = 1800 rpm
T = N·m
14.강체의 회전어려움
θ = 10°as = 1 m

속 빈 구이(가) 수평면과 10°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 1 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 10°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 1 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 30N2​ = 48

960 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 30개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 48개인 기어와 맞물려 있다. 기어 쌍의 효율은 97%이다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.

P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 30N2 = 48η = 97%
T2 = N·m
16.기어와 기어열어려움
A = 40B = 45C = 32D = 50

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 40개)가 1500 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 45개)를 구동한다. 기어 C(잇수 32개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 50개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1500 rpmA = 40B = 45C = 32D = 50
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = ?

주기가 2.2 s인 단진자의 길이는 얼마여야 하는가? g = 9.81 m/s²를 쓴다. L을(를) 구하시오.

T = 2.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.용수철과 진자어려움
mk = 460 N/mA = 14 cmx = 1 cm

k = 460 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 14 cm로 진동한다. 질량이 평형점에서 1 cm 떨어져 있을 때 스프링에 저장된 에너지 U을(를) 구하시오.

k = 460 N/mA = 14 cmx = 1 cm
U = J
19.기계 진동보통
tx50 mm5주기19.5 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 50 mm 다음 5주기 뒤에 최댓값 19.5 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 50 mmx5 = 19.5 mmn = 5
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 60k2​ = 10k3​ = 80m = 10 kg

10 kg 질량이 스프링 k₃ = 80 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 60 kN/m, k₂ = 10 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 514.3 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.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·30/3.5 = 17.14 s

거리

d = v·t = 30·17.14 = 514.3 m

답

d = 514.3 m

그 순간 경찰차는 2v = 60 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: y = 37.36 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

55 − ½g·t² = 29·t − ½g·t² → t = 55/29 = 1.897 s

만나는 높이

y = 29·1.897 − ½·9.81·1.897² = 37.36 m

답

y = 37.36 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.3034

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.

감속도

a = v₀²/(2d) = 5²/(2·4.2) = 2.976 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.976/9.81 = 0.3034

답

μ = 0.3034
4.뉴턴 법칙

답: T = 25.69 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) = (53.96 − 0)/10.5 = 5.139 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5·5.139 + 0 = 25.69 N

답

T = 25.69 N
5.포물선 운동

답: θ = 31.01 °

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 = 9.81·130/38² = 0.8832

위상각

2θ = 62.03° → θ = 31.01°

답

θ = 31.01°

다른 해는 90° − θ = 58.99°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 21.79 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 = 14·cos 55° = 8.03 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 55° = 11.47 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 11.47·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11.47 + √(131.5 + 98.1))/9.81 = 2.714 s

수평 거리

x = vx·t = 8.03·2.714 = 21.79 m

답

x = 21.79 m
7.원운동

답: vmax = 27.12 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) = √(0.5·9.81·150) = 27.12 m/s

답

vmax = 27.12 m/s (97.65 km/h)
8.원운동

답: vmax = 34.98 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 = √(210·9.81·0.5132/0.864) = 34.98 m/s

답

vmax = 34.98 m/s
(125.9 km/h)
9.일과 에너지

답: Wf = 55.49 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 = 98.1·0.7071 = 69.37 N
F = μN = 0.1·69.37 = 6.937 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 6.937·8 = 55.49 J

답

Wf = 55.49 J
10.일과 에너지

답: v = 3.962 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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 49.05·(1 − 0.2·1) = 39.24 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·0.8) = 3.962 m/s

답

v = 3.962 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −5.857 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.

충돌 전 운동량

p = M·u = 11·17 = 187 kg·m/s

충돌 후 운동량

187 = 4·57 + 7·v′2
v′2 = (187 − 228)/7 = −5.857 m/s

답

v′2 = −5.857 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: Favg = 80 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 = 0.2·(8 + 12) = 4 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4/0.05 = 80 N

답

Favg = 80 N
13.강체의 회전

답: T = 681.7 N·m

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·1800/60 = 188.5 rad/s

토크

T = P/ω = 128500/188.5 = 681.7 N·m

답

T = 681.7 N·m
14.강체의 회전

답: t = 1.399 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 10°/1.667 = 1.022 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·1/1.022) = 1.399 s

답

t = 1.399 s
15.기어와 기어열

답: T2 = 61.75 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·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/100.5 = 39.79 N·m

출력 토크

T2 = 39.79·48/30·0.97 = 61.75 N·m

답

T2 = 61.75 N·m
16.기어와 기어열

답: nout = 853.3 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 = 1500·40/45 = 1333 rpm = nC

2단

nout = 1333·32/50 = 853.3 rpm

답

nout = 853.3 rpm

전체 기어비 = 1.758 : 1

17.용수철과 진자

답: L = 1.203 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·(2.2/2π)² = 1.203 m

답

L = 1.203 m
18.용수철과 진자

답: U = 0.023 J

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.

전체 에너지

E = ½·k·A² = ½·460·0.14² = 4.508 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·460·0.01² = 0.023 J

답

U = 0.023 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.02996

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 = (1/5)·ln(50/19.5) = 0.1883

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1883/√(39.48 + 0.03547) = 0.02996

답

ζ = 0.02996
20.기계 진동

답: fn = 9.725 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 = 60 + 10 = 70 kN/m
keq = 70·80/(70 + 80) = 37.33 kN/m

고유 진동수

ωn = √(37333/10) = 61.1 rad/s
fn = 61.1/(2π) = 9.725 Hz

답

fn = 9.725 Hz

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