당신은 트램펄린 가장자리에서 처음 위쪽 속도 초속 미터로 뛰어오릅니다. 공중에 있는 동안 중력 때문에 당신의 감속도는 일정하게 초당 미터씩 매초 늘어납니다. 트램펄린에 닿은 뒤 떨어지는 동안에는 당신의 속력이 초당 미터마다 매초씩 줄어듭니다. 점프의 최고점부터 트램펄린 위에서 가장 낮은 지점까지 몇 초가 지나는지 구하세요.


영어 원문 보기
You jump up from the side of a trampoline with an initial upward velocity of metre per second. While you are in the air, your deceleration is a constant metres per second per second due to gravity. Once you hit the trampoline, as you fall your speed decreases by metres per second per second. How many seconds pass between the peak of your jump and the lowest part of your fall on the trampoline?


정답·풀이 보기
(1) 뛰어오른 뒤 트램펄린에 닿기 전과 (2) 트램펄린 속으로 떨어지는 동안에는 서로 다른 힘이 작용한다. 두 경우 모두 가속도가 상수이므로 두 높이 함수는 모두 꼴의 이차함수이다. 여기서 는 가속도, 는 일 때의 속도, 는 처음 높이이다.
- 먼저 (1), 즉 점프하는 동안 발이 트램펄린에 닿기 전의 시간을 생각하자. 을 뛰어오른 순간으로 하고, 트램펄린 가장자리의 높이를 으로 하자. 처음 속도가 (양수) 초속 미터였으므로 높이는 다음과 같다. 가속도가 양의 속도와 반대로 작용하므로 음의 부호가 붙는다는 점에 주의한다.
- 떨어지다가 발이 처음 트램펄린에 닿을 때의 속도를 알아야 한다. 점프한 뒤 발이 처음 트램펄린에 닿는 시각은 바로 이고 일 때이다. 즉 일 때이다. 이제 이므로 이다. 따라서 발이 트램펄린에 닿는 순간 당신은 초속 1 미터로 내려가고 있다.
참고: 이 값이 처음 속력과 같은 것은 우연만은 아니다. 포물선의 대칭성과 에너지 보존을 생각해 보자.
- 이제 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안의 높이를 생각해야 한다. 일반식 에서 는 일 때의 속도라는 점을 기억하자. 그런데 트램펄린에 닿는 시각은 이 아니라 이다. 간단히 하기 위해 여정의 두 번째 부분에는 다른 시간 척도를 쓰자. 발이 트램펄린 표면에 닿는 순간()부터 낙하의 맨 아래까지, 시각 에서의 높이를 라 하자. 이제 처음 속도가 초속 미터(높이가 줄어들므로 음수)이고 가속도가 초당 미터마다 매초(속도가 음수에서 으로 증가하므로 양수)라는 사실을 쓸 수 있다. 여기서도 트램펄린 가장자리의 높이는 으로 본다.
참고: 자유 낙하할 때의 가속도는 음수인데 트램펄린 위에서의 가속도는 양수라는 점이 혼란스럽다면, 중력은 당신을 아래로 밀고 트램펄린은 당신을 위로 민다는 것을 기억하자.
- 트램펄린 속에서 얼마나 오래 떨어졌을까? 식 는 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안에만 높이를 알려 준다. 속도가 이 될 때 낙하의 맨 아래에 이른다. 이므로 일 때 낙하의 맨 아래에 이른다. 주의하자. 이것은 트램펄린에 닿은 때로부터 초 뒤이지, 낙하의 최고점이나 뛰어오른 때로부터가 아니다.
- 마지막 조각은 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간이다. 그동안의 운동을 나타내는 식은 이다. 속도가 일 때 최고점에 이른다. 따라서 당신은 에서 최고점을 출발하여 에서 트램펄린 가장자리 높이에 이르렀으므로, 낙하에 초가 걸렸다.
참고: 앞에서 언급한 대칭성에 의해, 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간은 가장자리에서 뛰어오른 순간부터 다시 트램펄린 표면에 닿는 순간까지 걸린 시간의 절반과 같다.
- 따라서 점프의 최고점에서 맨 아래까지 떨어진 시간은 초이다.
원본 교재 풀이(영어)
Different forces are acting on you (1) after you jump but before you land on the trampoline, and (2) while you are falling into the trampoline. In both instances, the acceleration is constant, so both height functions are quadratic, of the form , where is the acceleration, is the velocity when , and is the initial height.
- Let's consider (1) first, the time during your jump before your feet touch the trampoline. Let be the moment you jump, and let the rim of the trampoline be height . Then, since your initial velocity was (positive) meter per second, your height is given by Notice that, because your acceleration is working against your positive velocity, it has a negative sign.
- We'll need to know your velocity when your feet first touch the trampoline on your fall. The time your feet first first touch the trampoline after your jump is precisely when and . That is, when . Now, since , . So, you are descending at a rate of 1 metre per second at the instant your feet touch the trampoline.
Remark: it is not only coincidence that this was your initial speed. Think about the symmetries of parabolas, and conservation of energy.
- Now we need to think about your height as the trampoline is slowing your fall. One thing to remember about our general equation is that is the velocity when . But, you don't hit the trampoline at , you hit it at . In order to keep things simple, let's use a different time scale for this second part of your journey. Let's let be your height at time , from the moment your feet touch the trampoline skin () to the bottom of your fall. Now, we can use the fact that your initial velocity is metres per second (negative, since your height is decreasing) and your acceleration is metres per second per second (positive, since your velocity is increasing from a negative number to zero): where still the height of the rim of the trampoline is taken to be zero.
Remark: if it seems very confusing that your free-falling acceleration is negative, while your acceleration in the trampoline is positive, remember that gravity is pushing you down, but the trampoline is pushing you up.
- How long were you falling in the trampoline? The equation tells you your height only as long as the trampoline is slowing your fall. You reach the bottom of your fall when your velocity is zero. so you reach the bottom of your fall at . Be careful: this is seconds after you entered the trampoline, not after the peak of your fall, or after you jumped.
- The last piece of the puzzle is how long it took you to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline. We know the equation of your motion during that time: . You reached the peak when your velocity was zero: So, you fell from your peak at and reached the level of the trampoline rim at , which means the fall took seconds.
Remark: by the symmetry mentioned early, the time it took to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline is the same as one-half the time from the moment you jumped off the rim to the moment you're back on the surface of the trampoline.
- So, your time falling from the peak of your jump to its bottom was seconds.






























