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)1.1 s22.22

80 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.1 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 8 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/htr = 1.1 sa = −8 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 17 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 17 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 17 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
15 kg20°F = 90 Nμ = 0.3

15 kg 썰매를 수평 위 20° 방향의 로프로 90 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 15 kgF = 90 Nθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 6.5 kg6 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 6.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 6 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 6.5 kgm2 = 6 kgθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/s35°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 36 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 19 m/s55°x = ?

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 19 m/sθ = 55°h = 60 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
θ = ?중심 방향50 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 140 m의 커브를 50 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 140 mv = 50 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.원운동어려움
R = 7.5 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 7.5 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 7.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
110 km/h

평평한 도로를 110 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 110 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 8 mR = 2.5 mN = ?

1 kg 수레가 반지름 2.5 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 8 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 8 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.운동량과 충돌보통
1500 kg19 m/s1300 kg

19 m/s로 움직이는 1500 kg 자동차가 정지해 있는 1300 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1500 kgv1 = 19 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
1800 kgv1​ = ?1600 kg

1800 kg 자동차가 주차된 1600 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 15 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 = 1800 kgm2 = 1600 kgd = 15 mμ = 0.75g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 1600 rpmTb​ = 125 N·mI = 35 kg·m²

관성 모멘트가 35 kg·m²인 플라이휠이 1600 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 125 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 35 kg·m²n = 1600 rpmTb = 125 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
380 m/s35 g0.62 mL = 0.8 m6 kg

질량 6 kg, 길이 0.8 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 35 g의 총알이 수평으로 380 m/s로 날아와 회전축보다 0.62 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. 충돌 직후 막대의 각속도 ω을(를) 구하시오.

M = 6 kgL = 0.8 mm = 35 gv = 380 m/sd = 0.62 m
ω = rad/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 25, m = 3 mm

1440 rpm으로 도는 1.5 kW 모터가 잇수 25개, 모듈 3 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 1.5 kWn = 1440 rpmN1 = 25m = 3 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 18B = 36C = 24D = 30

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 36개)를 구동한다. 기어 C(잇수 24개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 30개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 18B = 36C = 24D = 30
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
1.9 kgk = 80 N/mA = 9 cmx = 4 cm

k = 80 N/m인 스프링에 매단 1.9 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 9 cm로 진동한다. 평형점에서 4 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.9 kgk = 80 N/mA = 9 cmx = 4 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
2.1 kgk = 330 N/mA = 19 cm

k = 330 N/m인 용수철에 매단 2.1 kg 물체를 평형 위치에서 19 cm 당겼다가 놓는다. 진동의 전체 에너지 E을(를) 구하시오.

m = 2.1 kgk = 330 N/mA = 19 cm
E = J
19.기계 진동보통
k = 100 kN/mc = 4650 N·s/mm = 150 kg

150 kg 질량이 강성 100 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 4650 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

m = 150 kgk = 100 kN/mc = 4650 N·s/m
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 100k2​ = 100m = 10 kg

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

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 55.31 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 22.22·1.1 = 24.44 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·8) = 30.86 m

합계

d = 24.44 + 30.86 = 55.31 m

답

d = 55.31 m
2.운동학

답: hmax = 19.73 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 = 17²/(2·9.81) = 14.73 m

지면으로부터의 높이

hmax = 5 + 14.73 = 19.73 m

답

hmax = 19.73 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.311 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 147.2 − 90·sin 20° = 116.4 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 84.57 − 34.91
a = 49.66/15 = 3.311 m/s²

답

a = 3.311 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 0.8436 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 58.86 N
m₁·g·sin θ = 40.99 N
μ·m₁·g·cos θ = 7.327 N

계의 가속도

a = (58.86 − 40.99 − 7.327)/12.5 = 0.8436 m/s²

답

a = 0.8436 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 4.21 s

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 = 36·cos 35° = 29.49 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 35° = 20.65 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·20.65/9.81 = 4.21 s

답

t = 4.21 s
6.포물선 운동

답: x = 59.14 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 = 19·cos 55° = 10.9 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 55° = 15.56 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 15.56·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15.56 + √(242.2 + 1177))/9.81 = 5.427 s

수평 거리

x = vx·t = 10.9·5.427 = 59.14 m

답

x = 59.14 m
7.원운동

답: θ = 7.995 °

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.

단위

v = 50/3.6 = 13.89 m/s

경사각

tan θ = v²/(r·g) = 13.89²/(140·9.81) = 0.1405
θ = 7.995°

답

θ = 7.995°
8.원운동

답: hmin = 18.75 m

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 조건

m·g = m·v²/R → v² = g·R

에너지 보존

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·7.5 = 18.75 m

답

hmin = 18.75 m
9.일과 에너지

답: d = 67.98 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).

기본 단위의 속력

v = 110/3.6 = 30.56 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 30.56²/(2·0.7·9.81) = 67.98 m

답

d = 67.98 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: N = 13.73 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·(8 − 5) = 58.86 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
N = mv²/R − mg = 1·58.86/2.5 − 9.81 = 13.73 N

답

N = 13.73 N

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

11.운동량과 충돌

답: ΔK = 125705 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) = 1500·19/2800 = 10.18 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1500·19² = 270750 J
Kafter = ½·2800·10.18² = 145045 J

잃은 에너지

ΔK = 270750 − 145045 = 125705 J

답

ΔK = 125705 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 28.06 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 후의 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.75·9.81·15) = 14.86 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3400·14.86/1800 = 28.06 m/s

답

v1 = 28.06 m/s
(101 km/h)
13.강체의 회전

답: t = 46.91 s

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·1600/60 = 167.6 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 125/35 = 3.571 rad/s²
t = ω/α = 167.6/3.571 = 46.91 s

답

t = 46.91 s
14.강체의 회전

답: ω = 6.375 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.

충돌 후의 관성 모멘트

I = M·L²/3 + m·d² = 6·0.8²/3 + 0.035·0.62² = 1.293 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.035·380·0.62/1.293 = 6.375 rad/s

답

ω = 6.375 rad/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 265.3 N

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.

피니언의 토크

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 1500/150.8 = 9.947 N·m

피치원 지름

d = m·N = 3·25 = 75 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·9.947/0.075 = 265.3 N

답

Ft = 265.3 N
16.기어와 기어열

답: nout = 384 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 = 960·18/36 = 480 rpm = nC

2단

nout = 480·24/30 = 384 rpm

답

nout = 384 rpm

전체 기어비 = 2.5 : 1

17.용수철과 진자

답: v = 0.5231 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 = √(80/1.9) = 6.489 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 6.489·√(0.09² − 0.04²) = 0.5231 m/s

답

v = 0.5231 m/s
18.용수철과 진자

답: E = 5.957 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.

각주파수

ω = √(330/2.1) = 12.54 rad/s

에너지

E = ½·k·A² = ½·330·0.19² = 5.957 J

답

E = 5.957 J
19.기계 진동

답: ζ = 0.6003

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·√(100000·150) = 7746 N·s/m

감쇠비

ζ = c/cc = 4650/7746 = 0.6003

답

ζ = 0.6003

ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.

20.기계 진동

답: fn = 11.25 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 + 1/100 → keq = 100·100/(100 + 100) = 50 kN/m

고유 진동수

ωn = √(50000/10) = 70.71 rad/s
fn = 70.71/(2π) = 11.25 Hz

답

fn = 11.25 Hz

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