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)t = ?33.33

120 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
AB: 18 m/s25 m

공 A를 높이 25 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 18 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 25 mv0B = 18 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 40°a = ?m = 9 kg

질량 9 kg인 블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 9 kgθ = 40°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3.5 kg2 kgμ = 0.2

수평 탁자 위에 있는 질량 3.5 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 2 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 3.5 kgm2 = 2 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 20 m/s40°x = ?

공을 평지에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 20 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 25 m/s35°x = ?

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 25 m/sθ = 35°h = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
r = 85 mvmax​ = ?

자동차가 반지름 85 m인 평평한 커브를 돈다. 타이어와 도로 사이의 정지 마찰 계수는 0.6이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 미끄러지지 않고 커브를 돌 수 있는 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

r = 85 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.원운동어려움
R = 1.5 mh = ?

작은 수레가 마찰 없는 트랙에서 정지 상태로 놓여 반지름 1.5 m의 연직 루프로 들어간다. 루프 꼭대기에서 트랙을 벗어나지 않으려면 루프 바닥보다 최소 몇 m 높이 hmin에서 출발해야 하는가?

R = 1.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.일과 에너지보통
45°d = 8 mμ = 0.25

질량 10 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 8 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.25이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0.25d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.일과 에너지어려움
h = 1 mL = 1 mμ = 0.15k = 2000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 1 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 1 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 1 mL = 1 mμ = 0.15k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
13 kg47 m/s1 kgv′2​ = ?

수평으로 28 m/s로 움직이던 14 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 13 kg 파편은 47 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 1 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 14 kgu = 28 m/sm1 = 13 kgv′1 = 47 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
1 kgv = ?15 g30°L = 1.7 m

15 g 총알을 길이 1.7 m의 가벼운 줄에 매달린 1 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 15 gM = 1 kgL = 1.7 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.강체의 회전보통
L = 1.4 mm = 11 kgα

질량 11 kg, 길이 1.4 m인 균일한 가는 막대가 한쪽 끝이 핀으로 고정되어 수평으로 잡혀 있다. 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 놓은 직후 자유단의 가속도 atip을(를) 구하시오.

m = 11 kgL = 1.4 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.강체의 회전어려움
520 m/s50 g0.41 mL = 0.9 m7 kgφ

질량 7 kg, 길이 0.9 m인 균일한 가는 막대가 위쪽 끝의 마찰 없는 회전축에 정지 상태로 매달려 있다. 50 g의 총알이 수평으로 520 m/s로 날아와 회전축보다 0.41 m 아래에서 막대에 맞고 박힌다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 막대가 연직선에서 가장 크게 흔들리는 각도 φ을(를) 구하시오.

M = 7 kgL = 0.9 mm = 50 gv = 520 m/sd = 0.41 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.기어와 기어열보통
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 500 NT2​ = 125 NP = ?

벨트가 120 mm 구동 풀리 위를 720 rpm으로 달립니다. 장력은 긴장측 500 N, 이완측 125 N입니다. 전달 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 500 NT2 = 125 N
P = kW
16.기어와 기어열어려움
Ns​ = 16링 고정Np​ = 18nc​ = ?

유성 기어 장치에서 태양 기어의 잇수는 16개, 각 유성 기어의 잇수는 18개이다. 링 기어는 고정되어 있고 태양 기어는 1500 rpm으로 구동된다. 유성 캐리어의 회전 속도 nc을(를) 구하시오.

Ns = 16Np = 18ns = 1500 rpm
nc = rpm
17.용수철과 진자보통
1.3 kgk = 260 N/mA = 19 cmx = 1 cm

k = 260 N/m인 스프링에 매단 1.3 kg 질량이 마찰 없는 면 위에서 진폭 19 cm로 진동한다. 평형점에서 1 cm 떨어져 있을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1.3 kgk = 260 N/mA = 19 cmx = 1 cm
v = m/s
18.용수철과 진자어려움
2.8 kgk = 290 N/mA = 6 cm

k = 290 N/m인 용수철에 매단 2.8 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 2.8 kgk = 290 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
k = 50 kN/mζ = 0.4m = 200 kg

강성 50 kN/m인 스프링에 달린 200 kg 질량에 감쇠비 0.4을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 200 kgk = 50 kN/mζ = 0.4
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 30k2​ = 15m = 5 kg

5 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 30 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 15 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 5.556 s

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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33.33/6 = 5.556 s

답

t = 5.556 s
2.운동학

답: t = 1.389 s

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.

25 − ½g·t² = 18·t − ½g·t² → t = 25/18 = 1.389 s

답

t = 1.389 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.051 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 40° − 0.3·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.2298) = 4.051 m/s²

답

a = 4.051 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 2.319 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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (19.62 − 6.867)/5.5 = 2.319 m/s²

답

a = 2.319 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 40.16 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 = 20·cos 40° = 15.32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 40° = 12.86 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·12.86/9.81 = 2.621 s

수평 거리

x = vx·t = 15.32·2.621 = 40.16 m

답

x = 40.16 m
6.포물선 운동

답: x = 80.98 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 = 25·cos 35° = 20.48 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 35° = 14.34 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 14.34·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.34 + √(205.6 + 392.4))/9.81 = 3.955 s

수평 거리

x = vx·t = 20.48·3.955 = 80.98 m

답

x = 80.98 m
7.원운동

답: vmax = 22.37 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) = √(0.6·9.81·85) = 22.37 m/s

답

vmax = 22.37 m/s (80.52 km/h)
8.원운동

답: hmin = 3.75 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 = 2.5·1.5 = 3.75 m

답

hmin = 3.75 m
9.일과 에너지

답: Wf = 138.7 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 = 0.25·69.37 = 17.34 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 17.34·8 = 138.7 J

답

Wf = 138.7 J
10.일과 에너지

답: x = 12.91 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 = 19.62·(1 − 0.15·1) = 16.68 J

최대 압축량

½kx² = 16.68 → x = √(2·16.68/2000) = 0.1291 m = 12.91 cm

답

x = 12.91 cm
11.운동량과 충돌

답: v′2 = −219 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 = 14·28 = 392 kg·m/s

충돌 후 운동량

392 = 13·47 + 1·v′2
v′2 = (392 − 611)/1 = −219 m/s

답

v′2 = −219 m/s

음의 부호는 두 번째 파편이 뒤로 날아간다는 뜻입니다.

12.운동량과 충돌

답: v = 143 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.7·(1 − cos 30°) = 0.2278 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.2278) = 2.114 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.015·2.114/0.015 = 143 m/s

답

v = 143 m/s
13.강체의 회전

답: atip = 14.71 m/s²

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.

핀에 대한 모멘트

놓는 순간 ω = 0이므로 구심 가속도가 없고 중심은 곧바로 아래로 가속합니다.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.4) = 10.51 rad/s²

자유단의 가속도

atip = α·L = 10.51·1.4 = 14.71 m/s²

답

atip = 14.71 m/s²

atip = 1.5·g는 길이와 상관없이 성립합니다. 자유단은 떨어뜨린 돌보다 빨리 떨어집니다.

14.강체의 회전

답: φ = 87.84 °

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 = 7·0.9²/3 + 0.05·0.41² = 1.898 kg·m²

회전축에 대한 각운동량

회전축의 힘은 회전축을 지나므로 충돌하는 동안 거기에서 모멘트가 없습니다.

m·v·d = I·ω → ω = 0.05·520·0.41/1.898 = 5.615 rad/s

흔들리는 동안의 에너지

½·I·ω² = ½·1.898·5.615² = 29.93 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 31.1·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 29.93/31.1 = 0.03773 → φ = 87.84°

답

φ = 87.84°
15.기어와 기어열

답: P = 1.696 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 = 4.524 m/s

전력

P = (500 − 125)·4.524 = 1696 W = 1.696 kW

답

P = 1.696 kW
16.기어와 기어열

답: nc = 352.9 rpm

유성 기어 장치: 태양 기어, 링, 캐리어의 속도는 윌리스 식 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns로 연결됩니다. 캐리어에서 보면 장치는 유성 기어가 아이들 기어인 보통 기어열입니다. 한 요소를 고정하면 장치는 단일 감속비의 감속기가 됩니다.

링 기어 잇수

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·18 = 52

링 고정일 때의 윌리스 식

nr = 0으로 두고 캐리어 속도를 구합니다.

(1500 − nc)/(0 − nc) = −52/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·16/68 = 352.9 rpm

답

nc = 352.9 rpm

캐리어는 태양 기어와 같은 방향으로 돕니다.

17.용수철과 진자

답: v = 2.683 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 = √(260/1.3) = 14.14 rad/s

x에서의 속력

v = ω·√(A² − x²) = 14.14·√(0.19² − 0.01²) = 2.683 m/s

답

v = 2.683 m/s
18.용수철과 진자

답: amax = 6.214 m/s²

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 = √(290/2.8) = 10.18 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.06·10.18² = 6.214 m/s²

답

amax = 6.214 m/s²
19.기계 진동

답: fd = 2.306 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 = √(50000/200) = 15.81 rad/s
fn = 15.81/(2π) = 2.516 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.516·√(1 − 0.4²) = 2.306 Hz

답

fd = 2.306 Hz
20.기계 진동

답: fn = 7.118 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 = 1/30 + 1/15 → keq = 30·15/(30 + 15) = 10 kN/m

고유 진동수

ωn = √(10000/5) = 44.72 rad/s
fn = 44.72/(2π) = 7.118 Hz

답

fn = 7.118 Hz

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