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)5.128 s33.33

120 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
t (s)v (m/s)9 s

트램이 정지 상태에서 출발해 9 s 동안 2 m/s²로 가속한 다음, 7 s 동안 등속으로 달리고, 마지막으로 2.5 m/s²로 제동해 멈춘다. 두 정류장 사이의 총거리 s을(를) 구하시오.

a1 = 2 m/s²t1 = 9 st2 = 7 sa3 = −2.5 m/s²
s = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 35°a = ?m = 8 kg

질량 8 kg인 블록이 수평과 35°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 8 kgθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2 kg1 kgμ = 0.25

수평 탁자 위에 있는 질량 2 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 1 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/s30°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 30° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 18 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 23 m/s55°수평 도달 거리

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 23 m/sθ = 55°h = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.원운동보통
r = 115 m6 m/s

1100 kg 자동차가 도로의 둔덕 꼭대기를 6 m/s로 지난다. 둔덕 꼭대기는 반지름 115 m의 원호이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 꼭대기에서 도로가 자동차에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 1100 kgv = 6 m/sr = 115 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.원운동어려움
r = 1 mv = ?

길이 1 m인 줄에 매단 공을 연직면에서 원운동시킨다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄이 겨우 팽팽하게 유지되는 최고점에서의 최소 속력 vmin을(를) 구하시오.

r = 1 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.일과 에너지보통
15°d = 12 mμ = 0.15

블록이 수평과 15°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. 경사면을 따라 12 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 15°μ = 0.15d = 12 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.일과 에너지어려움
h = 5 mL = 3 mμ = 0.3k = 1000 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 1000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 5 mL = 3 mμ = 0.3k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.운동량과 충돌보통
3.5 kg4 m/s2 kg

4 m/s로 움직이는 질량 3.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 3.5 kgm2 = 2 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.운동량과 충돌어려움
900 kg11 m/s2000 kg9 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 11 m/s로 달리던 900 kg 자동차가 북쪽으로 9 m/s로 달리던 2000 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 900 kgv1 = 11 m/s (E)m2 = 2000 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
13.강체의 회전보통
2.5 kgaαM = 13 kgR = 0.5 m

질량 2.5 kg의 물체가 도르래에 감긴 가벼운 줄에 매달려 있다. 도르래는 질량 13 kg, 반지름 0.5 m의 균일한 원판이며 마찰 없는 수평 축에서 돈다. 물체를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgM = 13 kgR = 0.5 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.강체의 회전어려움
θ = 15°as = 3.5 m

균일한 구이(가) 수평면과 15°를 이루는 경사면을 미끄러지지 않고 굴러 내려간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 정지 상태에서 출발한다. 경사면을 따라 3.5 m 구르는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

θ = 15°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 3.5 m
t = s
15.기어와 기어열보통
N1​ = 20, m = 2 mm

2900 rpm으로 도는 22 kW 모터가 잇수 20개, 모듈 2 mm인 피니언을 구동한다. 피니언 이에 작용하는 접선력 Ft을(를) 구하시오.

P = 22 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
16.기어와 기어열어려움
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 600 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

평벨트가 1450 rpm의 80 mm 구동 풀리를 250 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 600 mm입니다. 마찰계수는 0.35이고 긴장측 장력은 1200 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 80 mmn1 = 1450 rpmd2 = 250 mmC = 600 mmμ = 0.35T1 = 1200 N
P = kW
17.용수철과 진자보통
t (s)x (cm)1.3 s

k = 220 N/m인 스프링에 매단 2.7 kg 질량을 양의 방향으로 12 cm 당겼다가 t = 0에 정지 상태에서 놓는다. t = 1.3 s에서 평형점으로부터의 변위 x(부호 포함)을(를) 구하시오.

m = 2.7 kgk = 220 N/mA = 12 cmt = 1.3 s
x = cm
18.용수철과 진자어려움
0.4 kgk = 420 N/mA = 11 cm

k = 420 N/m인 용수철에 매단 0.4 kg 물체를 평형 위치에서 11 cm 당겼다가 놓는다. 최대 가속도 amax을(를) 구하시오.

m = 0.4 kgk = 420 N/mA = 11 cm
amax = m/s²
19.기계 진동보통
tx30 mm4주기0.7 mm

감쇠가 있는 질량–스프링계의 자유 진동 시험에서 변위 최댓값 30 mm 다음 4주기 뒤에 최댓값 0.7 mm가 나타난다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

x0 = 30 mmx4 = 0.7 mmn = 4
ζ =
20.기계 진동어려움
k1​ = 10k2​ = 80m = 20 kg

20 kg 질량이 끝과 끝을 이은(직렬) 두 스프링에 매달려 있다. 위 스프링은 k₁ = 10 kN/m, 아래 스프링은 k₂ = 80 kN/m이다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3용액

1.운동학

답: s = 85.47 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·6.5) = 85.47 m

답

s = 85.47 m
2.운동학

답: s = 271.8 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 = 2·9 = 18 m/s

각 단계의 거리

s1 = ½·2·9² = 81 m
s2 = 18·7 = 126 m
s3 = 18²/(2·2.5) = 64.8 m

총거리

s = 81 + 126 + 64.8 = 271.8 m

답

s = 271.8 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.216 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 35° − 0.3·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.2457) = 3.216 m/s²

답

a = 3.216 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 8.175 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) = (9.81 − 4.905)/3 = 1.635 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2·1.635 + 4.905 = 8.175 N

답

T = 8.175 N
5.포물선 운동

답: H = 4.128 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 = 18·cos 30° = 15.59 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 30° = 9 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 9²/(2·9.81) = 4.128 m

답

H = 4.128 m
6.포물선 운동

답: t = 4.707 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 = 23·cos 55° = 13.19 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 55° = 18.84 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 18.84·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18.84 + √(355 + 392.4))/9.81 = 4.707 s

답

t = 4.707 s
7.원운동

답: N = 10447 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 힘

중심 방향(아래)을 양으로.

m·g − N = m·v²/r
N = 1100·9.81 − 1100·6²/115 = 10791 − 344.3 = 10447 N

답

N = 10447 N

자동차가 가볍게 느껴집니다. 도로가 무게보다 적게 위로 밉니다.

8.원운동

답: vmin = 3.132 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.

최고점에서 장력 0

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1) = 3.132 m/s

답

vmin = 3.132 m/s
9.일과 에너지

답: v = 5.179 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 = √(2·9.81·12·(0.2588 − 0.15·0.9659)) = 5.179 m/s

답

v = 5.179 m/s
10.일과 에너지

답: x = 28.36 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·(5 − 0.3·3) = 40.22 J

최대 압축량

½kx² = 40.22 → x = √(2·40.22/1000) = 0.2836 m = 28.36 cm

답

x = 28.36 cm
11.운동량과 충돌

답: v′1 = 1.091 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 = (3.5 − 2)/(3.5 + 2)·4 = 1.091 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 2)·4 = 5.091 m/s

답

v′1 = 1.091 m/s
12.운동량과 충돌

답: v′ = 7.084 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.

운동량 성분

px = 900·11 = 9900 kg·m/s
py = 2000·9 = 18000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 20543/2900 = 7.084 m/s

답

v′ = 7.084 m/s
13.강체의 회전

답: T = 17.71 N

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.

물체와 도르래

블록: m·g − T = m·a
도르래: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

가속도

a = m·g/(m + M/2) = 2.5·9.81/(2.5 + 6.5) = 2.725 m/s²

장력

T = m·(g − a) = 2.5·(9.81 − 2.725) = 17.71 N

답

T = 17.71 N
14.강체의 회전

답: t = 1.965 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.

운동 방정식

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.4·m·r²·(a/r) → f = 0.4·m·a

가속도

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 15°/1.4 = 1.814 m/s²

시간

s = ½·a·t² → t = √(2·3.5/1.814) = 1.965 s

답

t = 1.965 s
15.기어와 기어열

답: Ft = 3622 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 22000/303.7 = 72.44 N·m

피치원 지름

d = m·N = 2·20 = 40 mm

접선력

Ft = 2T/d = 2·72.44/0.04 = 3622 N

답

Ft = 3622 N
16.기어와 기어열

답: P = 4.607 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 = 2.857 rad

이완측 장력

eμθ = e1 = 2.718, T₂ = 1200/2.718 = 441.4 N

전력

P = (1200 − 441.4)·6.074 = 4.607 kW

답

P = 4.607 kW
17.용수철과 진자

답: x = 8.084 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 = √(220/2.7) = 9.027 rad/s
ω·t = 9.027·1.3 = 11.73 rad

변위

x = A·cos(ω·t) = 12·cos(11.73) = 8.084 cm

답

x = 8.084 cm
18.용수철과 진자

답: amax = 115.5 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 = √(420/0.4) = 32.4 rad/s

최대 가속도

amax = A·ω² = 0.11·32.4² = 115.5 m/s²

답

amax = 115.5 m/s²
19.기계 진동

답: ζ = 0.1479

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.

대수 감쇠율

δ = (1/4)·ln(30/0.7) = 0.9395

감쇠비

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9395/√(39.48 + 0.8826) = 0.1479

답

ζ = 0.1479
20.기계 진동

답: keq = 8.889 kN/m

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 = 1/10 + 1/80 → keq = 10·80/(10 + 80) = 8.889 kN/m

답

keq = 8.889 kN/m

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