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)1.852 s13.89

50 km/h로 달리던 자동차가 7.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 50 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
a = 38 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 1 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 38 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 38 m/s²t1 = 1 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
40 kg30°F = 180 Nμ = 0.1

40 kg 썰매를 수평 위 30° 방향의 로프로 180 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 40 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg2 kgμ = 0.1

수평 탁자 위에 있는 질량 9 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 2 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/s65°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 65° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 34 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 10 mv0​ = 28 m/s55°x = ?

공을 높이 10 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 28 m/sθ = 55°h = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 20 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 20 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 = 20 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
r = 0.5 mv = 9 m/s

길이 0.5 m인 줄에 매단 질량 1.6 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 9 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.6 kgr = 0.5 mv = 9 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
20°d = 6 mμ = 0.25

블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 경사면을 따라 6 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°μ = 0.25d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 2000 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
2.5 kg5 m/s1.5 kg

5 m/s로 움직이는 질량 2.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 2.5 kgm2 = 1.5 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
10 m/s12 m/s

질량 0.2 kg인 공이 10 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 12 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgvin = 10 m/svout = 12 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.강체의 회전보통
n = 1200 rpmT = 1890 N·m

모터가 1200 rpm에서 1890 N·m의 토크를 낸다. 출력 P을(를) kW로 구하시오.

T = 1890 N·mn = 1200 rpm
P = kW
14.강체의 회전어려움
θ = 40°vs = 2 m

균일한 원기둥이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 40°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 2 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°s = 2 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
Tw​ = ?z = 1, 2900 rpm

2900 rpm의 0.75 kW 모터가 줄 수 1인 웜을 구동한다. 웜 휠의 잇수는 45개이고 구동 장치의 효율은 55%이다. 휠 축의 출력 토크 Tw을(를) 구하시오.

z = 1Nw = 45n = 2900 rpmP = 0.75 kWη = 55%
Tw = N·m
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

평벨트가 1500 rpm의 150 mm 구동 풀리를 315 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 1200 mm입니다. 마찰계수는 0.35이고 긴장측 장력은 1500 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmd2 = 315 mmC = 1200 mmμ = 0.35T1 = 1500 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
1.2 kgk = 280 N/mA = 9 cmx = 7 cm

k = 280 N/m인 스프링에 매단 1.2 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 9 cm로 진동한다. 평형점에서 7 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.2 kgk = 280 N/mA = 9 cmx = 7 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
3.8 kgk = 280 N/mA = 13 cm

k = 280 N/m인 용수철에 매단 3.8 kg 물체를 평형 위치에서 13 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 3.8 kgk = 280 N/mA = 13 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 2 kN/mζ = 0.6m = 20 kg

강성 2 kN/m인 스프링에 달린 20 kg 질량에 감쇠비 0.6을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk = 2 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 10k2​ = 12k3​ = 80m = 20 kg

20 kg 질량이 스프링 k₃ = 80 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 10 kN/m, k₂ = 12 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: s = 12.86 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 = 50/3.6 = 13.89 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13.89²/(2·7.5) = 12.86 m

답

s = 12.86 m
2.운동학

답: hmax = 92.6 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.

동력 비행 단계

v₁ = 38·1 = 38 m/s
h₁ = ½·38·1² = 19 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 38²/(2·9.81) = 73.6 m
hmax = 19 + 73.6 = 92.6 m

답

hmax = 92.6 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.141 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 = 392.4 − 180·sin 30° = 302.4 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 155.9 − 30.24
a = 125.6/40 = 3.141 m/s²

답

a = 3.141 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 17.66 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) = (19.62 − 8.829)/11 = 0.981 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 9·0.981 + 8.829 = 17.66 N

답

T = 17.66 N
5.포물선 운동

답: H = 48.4 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 = 34·cos 65° = 14.37 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 65° = 30.81 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 30.81²/(2·9.81) = 48.4 m

답

H = 48.4 m
6.포물선 운동

답: x = 81.55 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 = 28·cos 55° = 16.06 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 55° = 22.94 m/s

체공 시간

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

0 = 10 + 22.94·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22.94 + √(526.1 + 196.2))/9.81 = 5.078 s

수평 거리

x = vx·t = 16.06·5.078 = 81.55 m

답

x = 81.55 m
7.원운동

답: vmax = 9.905 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) = √(0.5·9.81·20) = 9.905 m/s

답

vmax = 9.905 m/s (35.66 km/h)
8.원운동

답: T = 274.9 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.

최저점에서의 힘

중심 방향(위쪽)이 양입니다.

T − m·g = m·v²/r
T = 1.6·9.81 + 1.6·9²/0.5 = 15.7 + 259.2 = 274.9 N

답

T = 274.9 N
9.일과 에너지

답: v = 3.551 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·6·(0.342 − 0.25·0.9397)) = 3.551 m/s

답

v = 3.551 m/s
10.일과 에너지

답: x = 17.99 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 = 9.81·(4.5 − 0.3·4) = 32.37 J

최대 압축량

½kx² = 32.37 → x = √(2·32.37/2000) = 0.1799 m = 17.99 cm

답

x = 17.99 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 1.25 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 = (2.5 − 1.5)/(2.5 + 1.5)·5 = 1.25 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 1.5)·5 = 6.25 m/s

답

v′1 = 1.25 m/s
12.운동량과 충돌

답: Favg = 220 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·(12 + 10) = 4.4 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4.4/0.02 = 220 N

답

Favg = 220 N
13.강체의 회전

답: P = 237.5 kW

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·1200/60 = 125.7 rad/s

전력

P = T·ω = 1890·125.7 = 237504 W = 237.5 kW

답

P = 237.5 kW
14.강체의 회전

답: v = 4.101 m/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 = 2·sin 40° = 1.286 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 = √(2·9.81·1.286/1.5) = 4.101 m/s

답

v = 4.101 m/s
15.기어와 기어열

답: Tw = 61.12 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.

휠 속도

nw = n·z/Nw = 2900·1/45 = 64.44 rpm

출력 토크

ωw = 2π·64.44/60 = 6.749 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.55·750/6.749 = 61.12 N·m

답

Tw = 61.12 N·m
16.기어와 기어열

답: P = 11.5 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 = 3.004 rad

이완측 장력

eμθ = e1.051 = 2.862, T₂ = 1500/2.862 = 524.2 N

전력

P = (1500 − 524.2)·11.78 = 11.5 kW

답

P = 11.5 kW
17.용수철과 진자

답: v = 0.8641 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 = √(280/1.2) = 15.28 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 15.28·√(0.09² − 0.07²) = 0.8641 m/s

답

v = 0.8641 m/s
18.용수철과 진자

답: vmax = 1.116 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 = √(280/3.8) = 8.584 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.13·8.584 = 1.116 m/s

답

vmax = 1.116 m/s
19.기계 진동

답: fd = 1.273 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 = √(2000/20) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1.592 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1.592·√(1 − 0.6²) = 1.273 Hz

답

fd = 1.273 Hz
20.기계 진동

답: fn = 4.675 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 = 10 + 12 = 22 kN/m
keq = 22·80/(22 + 80) = 17.25 kN/m

고유 진동수

ωn = √(17255/20) = 29.37 rad/s
fn = 29.37/(2π) = 4.675 Hz

답

fn = 4.675 Hz

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