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)1.4 s12.5

45 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.4 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/htr = 1.4 sa = −7 m/s²
d = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)7 s

트램이 정지 상태에서 출발해 7 s 동안 3 m/s²로 가속한 다음, 25 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 3.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 3 m/s²t1 = 7 st2 = 25 sa3 = −3.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
5.5 kg4 kg

5.5 kg과 4 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 5.5 kgm2 = 4 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.뉴턴 법칙어려움
2 kg3 kgTF = 85 Nμ = 0.1

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 85 N이 앞쪽의 3 kg 블록을 끌고, 2 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 3 kgF = 85 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
28 my = ?v0​ = 20 m/s50°

평지에서 공을 20 m/s, 수평 위 50°로 28 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 20 m/sθ = 50°x = 28 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
24 mv0​ = 39 m/s65°x = ?

지면에서 공을 39 m/s, 수평 위 65°로 던진다. 공은 내려오는 도중에 높이 24 m인 건물의 평평한 지붕에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사점에서 떨어진 곳까지의 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v₀ = 39 m/sθ = 65°hroof = 24 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
θ = ?중심 방향50 km/h

도로 기술자는 자동차가 마찰에 의존하지 않고 반지름 180 m의 커브를 50 km/h로 돌기를 원한다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사각 θ을(를) 구하시오.

r = 180 mv = 50 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.원운동어려움
r = 1.5 m10.5 m/svtop​ = ?

길이 1.5 m의 가벼운 줄에 매단 1 kg 공을 연직 원으로 돌린다. 가장 낮은 점에서의 속력은 10.5 m/s이다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가장 높은 점에서 줄의 장력 Ttop을(를) 구하시오.

m = 1 kgr = 1.5 mvbottom = 10.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.일과 에너지보통
100 km/h

평평한 도로를 100 km/h로 달리던 자동차가 급제동해 바퀴가 잠긴 채 미끄러져 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v = 100 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²
d = m
10.일과 에너지어려움
h = 4 mL = 4.5 mμ = 0.3k = 1000 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 4 mL = 4.5 mμ = 0.3k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
6 kg48 m/s4 kgv′2​ = ?

수평으로 14 m/s로 움직이던 10 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 6 kg 파편은 48 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 4 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 10 kgu = 14 m/sm1 = 6 kgv′1 = 48 m/sm2 = 4 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
30 m/s14 m/s

질량 0.6 kg인 공이 30 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 14 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 25 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 30 m/svout = 14 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.강체의 회전보통
n = 2900 rpmTb​ = 50 N·mI = 14.5 kg·m²

관성 모멘트가 14.5 kg·m²인 플라이휠이 2900 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 50 N·m를 가한다. 플라이휠이 멈추기 전까지 도는 회전수 N을(를) 구하시오.

I = 14.5 kg·m²n = 2900 rpmTb = 50 N·m
N = rev
14.강체의 회전어려움
10 m/sω

질량 19.5 kg의 얇은 후프이(가) 10 m/s로 미끄러짐 없이 구른다. 전체 운동 에너지 Ek을(를) 구하시오.

m = 19.5 kgv = 10 m/sI = m·r²
Ek = J
15.기어와 기어열보통
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 600 NT2​ = 180 NP = ?

벨트가 125 mm 구동 풀리 위를 960 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 600 N, 이완측 180 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 600 NT2 = 180 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
A = 60B = 80C = 18D = 48

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 60개)가 960 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 18개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 48개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 960 rpmA = 60B = 80C = 18D = 48
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
L = 1.1 m

단진자의 길이는 1.1 m이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 작게 흔들릴 때의 주기 T을(를) 구하시오.

L = 1.1 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.용수철과 진자어려움
mk = 220 N/mA = 12 cmx = 2 cm

k = 220 N/m인 스프링에 매단 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 12 cm로 진동한다. 평형점에서 2 cm 떨어져 있을 때의 운동 에너지 K을(를) 구하시오.

k = 220 N/mA = 12 cmx = 2 cm
K = J
19.기계 진동보통
k = 40 kN/mζ = 0.45m = 250 kg

강성 40 kN/m인 스프링에 달린 250 kg 질량에 감쇠비 0.45을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 250 kgk = 40 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 12k2​ = 50m = 10 kg

10 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 12 kN/m, k₂ = 50 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 28.66 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 12.5·1.4 = 17.5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·7) = 11.16 m

합계

d = 17.5 + 11.16 = 28.66 m

답

d = 28.66 m
2.운동학

답: s = 661.5 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 3·7 = 21 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·3·7² = 73.5 m
s2 = 21·25 = 525 m
s3 = 21²/(2·3.5) = 63 m

총거리

s = 73.5 + 525 + 63 = 661.5 m

답

s = 661.5 m
3.뉴턴 법칙

답: T = 45.44 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (5.5 − 4)·9.81/(5.5 + 4) = 1.549 m/s²

가벼운 질량에서 구한 장력

T − m2·g = m2·a → T = 4·(9.81 + 1.549) = 45.44 N

답

T = 45.44 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 34 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (85 − 4.905)/5 = 16.02 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 2·(16.02 + 0.981) = 34 N

답

T = 34 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: y = 10.1 m

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

벽까지의 시간

vx = 20·cos 50° = 12.86 m/s
t = x/vx = 28/12.86 = 2.178 s

그 시각의 높이

y = 15.32·2.178 − ½·9.81·2.178² = 10.1 m

답

y = 10.1 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: x = 106.3 m

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

초기 속도 분해

vx = 16.48 m/s, vy = 35.35 m/s

지붕에 떨어지는 시간

큰 근: 공이 내려오는 중입니다.

24 = 35.35·t − 4.905·t²
t = (35.35 + √(35.35² − 2·9.81·24))/9.81 = 6.447 s

수평 거리

x = vx·t = 16.48·6.447 = 106.3 m

답

x = 106.3 m
7.원운동

답: θ = 6.234 °

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/(180·9.81) = 0.1092
θ = 6.234°

답

θ = 6.234°
8.원운동

답: Ttop = 24.45 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 = 10.5² − 4·9.81·1.5 = 51.39 m²/s²

꼭대기에서의 힘

장력과 중력은 모두 아래, 중심을 향합니다.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1·51.39/1.5 − 1·9.81 = 24.45 N

답

Ttop = 24.45 N
9.일과 에너지

답: d = 56.18 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

에너지 수지

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27.78²/(2·0.7·9.81) = 56.18 m

답

d = 56.18 m

속력이 두 배가 되면 정지 거리는 네 배가 됩니다.

10.일과 에너지

답: v = 7.211 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 = 4.905·(4 − 0.3·4.5) = 13 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.65) = 7.211 m/s

답

v = 7.211 m/s
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −37 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 = 10·14 = 140 kg·m/s

충돌 후 운동량

140 = 6·48 + 4·v′2
v′2 = (140 − 288)/4 = −37 m/s

답

v′2 = −37 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: J = 26.4 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.6·(14 + 30) = 26.4 N·s

답

J = 26.4 N·s
13.강체의 회전

답: N = 2128 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·2900/60 = 303.7 rad/s

브레이크가 한 일은 운동 에너지와 같다

½·I·ω² = ½·14.5·303.7² = 668638 J
θ = 668638/50 = 13373 rad

회전수

N = θ/2π = 2128 rev

답

N = 2128 rev
14.강체의 회전

답: Ek = 1950 J

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.

병진 부분과 회전 부분

Etrans = ½·m·v² = ½·19.5·10² = 975 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·975 = 975 J

합계

Ek = 975 + 975 = 1950 J

답

Ek = 1950 J
15.기어와 기어열

답: P = 2.639 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 = 6.283 m/s

전력

P = (600 − 180)·6.283 = 2639 W = 2.639 kW

답

P = 2.639 kW
16.기어와 기어열

답: nout = 270 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 = 960·60/80 = 720 rpm = nC

2단

nout = 720·18/48 = 270 rpm

답

nout = 270 rpm

전체 기어비 = 3.556 : 1

17.용수철과 진자

답: T = 2.104 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.

단진자의 주기

T = 2π·√(1.1/9.81) = 2.104 s

답

T = 2.104 s
18.용수철과 진자

답: K = 1.54 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 = ½·220·0.12² = 1.584 J

x에서의 스프링 에너지

U = ½·k·x² = ½·220·0.02² = 0.044 J

운동 에너지

K = 1.584 − 0.044 = 1.54 J

답

K = 1.54 J
19.기계 진동

답: fd = 1.798 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 = √(40000/250) = 12.65 rad/s
fn = 12.65/(2π) = 2.013 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.013·√(1 − 0.45²) = 1.798 Hz

답

fd = 1.798 Hz
20.기계 진동

답: fn = 12.53 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 = 12 + 50 = 62 kN/m

고유 진동수

ωn = √(62000/10) = 78.74 rad/s
fn = 78.74/(2π) = 12.53 Hz

답

fn = 12.53 Hz

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