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201문제 · 11 / 11쪽

201.Active Calculus · 6.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

옆으로 눕혀 묻은 원기둥 모양의 물탱크가 있다. 반지름은 33 피트이고 길이는 1010 피트이다. 이 탱크에는 무게 밀도가 62.462.4 lbs/ft3^3 인 물이 가득 채워져 있으며, 탱크의 맨 위는 지하 2피트에 있다.

(a) 탱크 안 물의 위쪽 절반을, 지면 위 4.5피트 높이에 탱크가 있는 트럭으로 퍼내는 데 필요한 일을 나타내는 적분식을 세우되, 값은 구하지 마세요. (b) 이제 탱크에 물이 절반만 차 있을 때, 탱크의 한쪽 끝면이 받는 수압에 의한 전체 힘을 나타내는 적분식을 세우되, 값은 구하지 마세요.

영어 원문 보기

A cylindrical tank, buried on its side, has radius 33 feet and length 1010 feet. It is filled completely with water whose weight density is 62.462.4 lbs/ft3^3, and the top of the tank is two feet underground.

(a) Set up, but do not evaluate, an integral expression that represents the amount of work required to empty the top half of the water in the tank to a truck whose tank lies 4.5 feet above ground. (b) With the tank now only half-full, set up, but do not evaluate an integral expression that represents the total force due to hydrostatic pressure against one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 원기둥 탱크의 한쪽 끝면에 대해 좌표축을 잡고 그림을 그린다. 지면을 (수평인) yy축에 대응시키고 양의 xx축이 아래쪽을 향하게 잡으면 가장 간단하다. 이렇게 하면 x=0x = 0 은 지면이고 xx의 값은 특정 위치의 깊이를 나타낸다. 탱크의 원형 끝면은 반지름이 33 이고, 맨 위가 지하 22피트에 있으므로 중심이 점 (5,0)(5,0) 이다. 따라서 이 원의 방정식은 (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. 이다. yy에 대해 풀면 아래 그림의 오른쪽에 나타낸 반원의 방정식 y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2} 을 얻는다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 돌려져 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 첫 번째 그림에서 원의 위쪽 절반은 다음으로, 깊이 xx 에 있는 조각은 두께가 △x\triangle x 인 직사각형 판 모양이다. 길이는 1010 이고 너비는 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} 이다. 따라서 이 조각의 부피는 V조각≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. 이다. 물의 무게가 세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 전형적인 조각의 무게(따라서 그 조각에 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이 조각을 지하 xx피트 깊이에서 지면 위 4.54.5피트에 있는 트럭의 탱크까지 옮기려면 각 조각이 x+4.5x + 4.5피트를 이동해야 하므로, 이 조각을 옮기는 데 필요한 일은 W조각≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{조각}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 마지막으로 탱크의 절반을 비우려면 x=2x = 2 부터 x=5x = 5 까지의 조각을 생각해야 하므로, 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 합하면 W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 피트-파운드이다. (b) 남아 있는 물이 탱크의 한쪽 끝면에 가하는 수압에 의한 힘을 구하기 위해, 먼저 위치 xx 에 있는 직사각형 조각의 넓이를 구하면 A조각≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이러한 조각은 x=5x = 5 와 x=8x = 8 사이에 놓이며, 이 xx의 값은 남아 있는 물의 맨 위부터 바닥까지의 깊이를 나타낸다. 이 구간의 xx 에서 조각의 수면 아래 깊이는 x−5x - 5 이다. 압력은 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이므로 P조각≈62.4(x−5) .P_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5)\,. 이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이를 적분하여 전체 힘을 합하면 F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we set up axes and a sketch for one of the ends of the cylindrical tank. It is simplest to let ground level correspond to the (horizontal) yy-axis with the positive xx-axis pointing straight down, so that x=0x = 0 corresponds to ground level and the value of xx tells us the depth of a particular location. The circular end of the tank has radius 33 and is centered at the point (5,0)(5,0) since its top is 22 feet underground. Thus, the equation of that circle is (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. Solving for yy, we find the equation of one half of the circle, the half that is pictured at right in the figure below: y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2}. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. The top half of the circle in the first Next, for a slice at depth xx, its shape is a rectangular slab with thickness △x\triangle x. Its length is 1010, and its width is 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2}. Thus, the volume of such a slice is Vslice≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. With the water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight of (and thus force to be exerted upon) a typical slice is Fslice≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. To move such a slice from its depth xx feet below the ground to a tank on a truck that's 4.54.5 feet above ground, each slice must travel x+4.5x + 4.5 feet, and thus the work to move the slice is Wslice≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{slice}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Finally, to empty half the tank, we need to consider slices from x=2x = 2 to x=5x = 5, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we get W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 foot-pounds. (b) To find the hydrostatic force due to water pressure that is exerted on one end of the tank by the remaining water, we first find the area of a rectangular slice at a location xx, which is Aslice≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. We note that such a slice lies between x=5x = 5 and x=8x = 8, which is the values of xx that represent the depths of remaining water from top to bottom. At an xx in this interval, the slice's depth below the surface of the water is x−5x - 5. Thus, since pressure is weight-density times depth, it follows that Pslice≈62.4(x−5) .P_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5)\,. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 pounds.

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