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동역학 · 운동을 푸는 법

미분과 적분으로 보는 운동

위치에서 속도로, 속도에서 가속도로. 변화율 하나로 입자와 강체의 운동을 꿰뚫어요.

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01속도는 위치의 기울기, 가속도는 속도의 기울기
위치 x(t) 에서 미분으로 v = dx/dt, a = dv/dt, 적분으로 되돌리기
#자동차 계기판#속도계#GPS 트래킹
02가속도가 일정하면 v와 x가 공식을 따른다
a 일정 → v=v0+at, x=x0+v0t+½at², v²=v0²+2a·Δx, 자유낙하(a=g)
#자유낙하#제동거리#드래그 레이싱
03포물선은 수평 등속과 수직 등가속의 겹침이다
수평 등속 x=vx·t 와 수직 등가속 y=vy·t-½gt² 의 독립 겹침, 사거리·최고점
#농구 슛#대포#분수대
04곡선운동의 가속도는 접선과 법선으로 나뉜다
속도는 접선, a_t=dv/dt 속력변화, a_n=v²/ρ 방향변화(구심), a=√(a_t²+a_n²)
#롤러코스터#고속도로 커브#경주 트랙
05알짜힘이 가속도를 만든다, ΣF = ma
알짜힘 ΣF=ma, 자유물체도(FBD), 질량=관성 a=F/m, 경사면 a=g sinθ
#엘리베이터#미끄럼틀#견인 트럭
06일은 운동에너지의 변화와 같다
일 W=F·d(변력은 F-x 넓이), W=ΔKE, KE=½mv², 일률 P=F·v
#활시위#역도#자동차 엔진
07보존력만 있으면 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하다
위치E mgh, KE+PE 일정, 진자 교환, v=√(2gh), 비보존력=손실
#롤러코스터#그네#진자시계
08충격량은 운동량의 변화와 같다
충격량 J=F·Δt=Δp, 운동량 보존, F=J/Δt(에어백), 충돌
#에어백#권투 펀치#로켓 추진
09충돌은 운동량을 지키고, 반발계수가 탄성도를 정한다
운동량 보존 m₁u₁+m₂u₂=m₁v₁+m₂v₂, 반발계수 e=분리/접근, 탄성·비탄성, 운동E 잔존 (1+e²)/2
#당구공#자동차 추돌#농구공 바운드
10회전운동은 각위치·각속도·각가속도로 기술한다
각위치 θ, ω=dθ/dt, α=dω/dt, 등각가속 ω=ω₀+αt·θ=ω₀t+½αt², 선↔각 v=rω·a_t=rα·a_n=rω²
#선풍기#회전목마#하드디스크
11일반 평면운동은 병진과 회전의 합이다
병진+회전 분해, 굴림 v=rω(d=rθ), 점속도 v_P=v_O+ω×r(바닥0·중심v·꼭대기2v), 순간회전중심 IC, 사이클로이드
#굴러가는 바퀴#자전거#볼링공
12상대운동은 기준틀을 옮겨 푸는 것이다
상대속도 v_B=v_A+v_{B/A}, 강체 두 점 ω×r, 상대가속도 α×r−ω²r, 회전틀 v_rel, 코리올리 2ω×v_rel
#태풍 소용돌이#비행기 횡풍#강물 보트
13토크가 각가속도를 만든다, ΣM = Iα
토크 M=F·d, 관성모멘트 I=Σmr², 회전 뉴턴 ΣM=Iα, 모양별 βMR²(테1·원판½·구⅖), 평행축 I=I_cm+Md²
#렌치#회전문#플라이휠
14회전에도 운동에너지가 있다, ½Iω²
회전운동E ½Iω², 토크의 일 W=Mθ(P=Mω), 굴림 KE=½mv²(1+β), 에너지보존 mgh=½mv²(1+β), 모양별 도착속력
#플라이휠#굴러내리는 공#요요
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