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
a = ?s = 1600 m

비행기가 이륙하려면 260 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1600 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 260 km/hs = 1600 m
a = m/s²
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)12 s

트램이 정지 상태에서 출발해 12 s 동안 1.5 m/s²로 가속한 다음, 8 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 4 m/s²로 제동해 멈춘다. 총 이동 시간 t을(를) 구하시오.

a1 = 1.5 m/s²t1 = 12 st2 = 8 sa3 = −4 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 19 kg

질량 19 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 19 kgθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9 kg8.5 kgθ = 35°

35° 경사로 위의 9 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 8.5 kgθ = 35°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 60 m

평지에서 공을 34 m/s로 발사해 60 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 = 34 m/sR = 60 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 19 m/s55°x = ?

공을 높이 20 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 = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.원운동보통
θ = 18°중심 방향v = ?

반지름 90 m인 커브가 18° 기울어져 있다. 자동차가 마찰 없이도 이 커브를 돌 수 있는 속력 v은(는) 얼마인가? g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

r = 90 mθ = 18°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.원운동어려움
r = 1.4 mv = 5.5 m/s

길이 1.4 m인 줄에 매단 질량 1.8 kg인 공을 연직면에서 원운동시킨다. 최저점에서 공의 속력은 5.5 m/s이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 최저점에서 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1.8 kgr = 1.4 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.일과 에너지보통
20°d = 6 mμ = 0.15

블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 경사면을 따라 6 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°μ = 0.15d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
3 kg5 kgμ = 0.3d = 1.5 m

3 kg 블록이 거친 수평 테이블(μ = 0.3) 위에 놓여 있다. 가벼운 줄이 블록에서 테이블 가장자리의 매끄러운 도르래를 지나 매달린 5 kg 블록에 연결되어 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. 매달린 블록이 1.5 m 내려간 뒤 블록들의 속력 v을(를) 구하시오.

m1 = 3 kgm2 = 5 kgμ = 0.3d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.운동량과 충돌보통
1800 kg18 m/s1600 kg

18 m/s로 움직이는 1800 kg 자동차가 정지해 있는 1600 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1800 kgv1 = 18 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK = J
12.운동량과 충돌어려움
1000 kgv1​ = ?1300 kg

1000 kg 자동차가 주차된 1300 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 15.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1000 kgm2 = 1300 kgd = 15.5 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.강체의 회전보통
n = 2700 rpmTb​ = 160 N·mI = 29.5 kg·m²

관성 모멘트가 29.5 kg·m²인 플라이휠이 2700 rpm으로 회전한다. 브레이크가 일정한 마찰 토크 160 N·m를 가한다. 멈추는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

I = 29.5 kg·m²n = 2700 rpmTb = 160 N·m
t = s
14.강체의 회전어려움
θ = 10°vs = 3 m

균일한 구이(가) 정지 상태에서 출발하여 수평면과 10°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 경사면을 따라 3 m 구른 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 10°s = 3 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 24, m = 4 mm

1450 rpm으로 도는 3 kW 모터가 잇수 24개, 모듈 4 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 3 kWn = 1450 rpmN1 = 24m = 4 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
A = 15B = 24C = 12D = 20

복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 15개)가 1450 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 24개)를 구동한다. 기어 C(잇수 12개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 20개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.

nin = 1450 rpmA = 15B = 24C = 12D = 20
nout = rpm
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.35 s

k = 280 N/m인 스프링에 매단 1.4 kg 질량을 양의 방향으로 8 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.35 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 1.4 kgk = 280 N/mA = 8 cmt = 1.35 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
4 kgk = 450 N/mA = 6 cm

k = 450 N/m인 용수철에 매단 4 kg 물체를 평형 위치에서 6 cm 당겼다가 놓는다. 최대 속력 vmax을(를) 구하시오.

m = 4 kgk = 450 N/mA = 6 cm
vmax = m/s
19.기계 진동보통
k = 4 kN/mζ = 0.6m = 8 kg

강성 4 kN/m인 스프링에 달린 8 kg 질량에 감쇠비 0.6을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 8 kgk = 4 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.기계 진동어려움
k1​ = 5k2​ = 60m = 40 kg

40 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 5 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 60 kN/m이다. 감쇠와 스프링의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3용액

1.운동학

답: a = 1.63 m/s²

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

v = 260/3.6 = 72.22 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 72.22²/(2·1600) = 1.63 m/s²

답

a = 1.63 m/s²
2.운동학

답: t = 24.5 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.

최고 속력

v = a1·t1 = 1.5·12 = 18 m/s

제동 시간

t3 = v/a3 = 18/4 = 4.5 s

총 시간

t = 12 + 8 + 4.5 = 24.5 s

답

t = 24.5 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.051 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 20° − 0.25·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2349) = 1.051 m/s²

답

a = 1.051 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 67.48 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 83.39 N
m₁·g·sin θ = 50.64 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (83.39 − 50.64 − 0)/17.5 = 1.871 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8.5·(9.81 − 1.871) = 67.48 N

답

T = 67.48 N
5.포물선 운동

답: θ = 15.3 °

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 = 9.81·60/34² = 0.5092

위상각

2θ = 30.61° → θ = 15.3°

답

θ = 15.3°

다른 해는 90° − θ = 74.7°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 45.28 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 = 20 + 15.56·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15.56 + √(242.2 + 392.4))/9.81 = 4.155 s

수평 거리

x = vx·t = 10.9·4.155 = 45.28 m

답

x = 45.28 m
7.원운동

답: v = 16.94 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

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

속력

v = √(r·g·tan θ) = √(90·9.81·tan 18°) = 16.94 m/s

답

v = 16.94 m/s
(60.97 km/h)
8.원운동

답: T = 56.55 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 = 1.8·9.81 + 1.8·5.5²/1.4 = 17.66 + 38.89 = 56.55 N

답

T = 56.55 N
9.일과 에너지

답: v = 4.865 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 − 0.15·0.9397)) = 4.865 m/s

답

v = 4.865 m/s
10.일과 에너지

답: v = 3.884 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).

방출되고 손실된 에너지

m₂g·d = 49.05·1.5 = 73.58 J
μ·m₁g·d = 0.3·29.43·1.5 = 13.24 J

두 블록의 운동 에너지

½(m₁ + m₂)v² = 60.33 → v = √(2·60.33/8) = 3.884 m/s

답

v = 3.884 m/s
11.운동량과 충돌

답: ΔK = 137224 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) = 1800·18/3400 = 9.529 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1800·18² = 291600 J
Kafter = ½·3400·9.529² = 154376 J

잃은 에너지

ΔK = 291600 − 154376 = 137224 J

답

ΔK = 137224 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

12.운동량과 충돌

답: v1 = 33.56 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) = √(2·0.7·9.81·15.5) = 14.59 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2300·14.59/1000 = 33.56 m/s

답

v1 = 33.56 m/s
(120.8 km/h)
13.강체의 회전

답: t = 52.13 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·2700/60 = 282.7 rad/s

감속도와 시간

α = Tb/I = 160/29.5 = 5.424 rad/s²
t = ω/α = 282.7/5.424 = 52.13 s

답

t = 52.13 s
14.강체의 회전

답: v = 2.702 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 = 3·sin 10° = 0.5209 m

구름을 포함한 에너지 균형

미끄러짐 없는 구름: ω = v/r이며, 접촉점에서 마찰은 일을 하지 않습니다.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·0.5209/1.4) = 2.702 m/s

답

v = 2.702 m/s
15.기어와 기어열

답: Ft = 411.6 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·1450/60 = 151.8 rad/s
T = P/ω = 3000/151.8 = 19.76 N·m

피치원 지름

d = m·N = 4·24 = 96 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·19.76/0.096 = 411.6 N

답

Ft = 411.6 N
16.기어와 기어열

답: nout = 543.8 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 = 1450·15/24 = 906.3 rpm = nC

2단

nout = 906.3·12/20 = 543.8 rpm

답

nout = 543.8 rpm

전체 기어비 = 2.667 : 1

17.용수철과 진자

답: x = 7.766 cm

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 = √(280/1.4) = 14.14 rad/s
ω·t = 14.14·1.35 = 19.09 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 8·cos(19.09) = 7.766 cm

답

x = 7.766 cm
18.용수철과 진자

답: vmax = 0.6364 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 = √(450/4) = 10.61 rad/s

최대 속력

vmax = A·ω = 0.06·10.61 = 0.6364 m/s

답

vmax = 0.6364 m/s
19.기계 진동

답: fd = 2.847 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 = √(4000/8) = 22.36 rad/s
fn = 22.36/(2π) = 3.559 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3.559·√(1 − 0.6²) = 2.847 Hz

답

fd = 2.847 Hz
20.기계 진동

답: fn = 1.71 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 = 1/5 + 1/60 → keq = 5·60/(5 + 60) = 4.615 kN/m

고유 진동수

ωn = √(4615/40) = 10.74 rad/s
fn = 10.74/(2π) = 1.71 Hz

답

fn = 1.71 Hz

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