옆으로 눕혀 묻은 원기둥 모양의 물탱크가 있다. 반지름은 피트이고 길이는 피트이다. 이 탱크에는 무게 밀도가 lbs/ft 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 feet and length feet. It is filled completely with water whose weight density is lbs/ft, 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) 축에 대응시키고 양의 축이 아래쪽을 향하게 잡으면 가장 간단하다. 이렇게 하면 은 지면이고 의 값은 특정 위치의 깊이를 나타낸다. 탱크의 원형 끝면은 반지름이 이고, 맨 위가 지하 피트에 있으므로 중심이 점 이다. 따라서 이 원의 방정식은
이다. 에 대해 풀면 아래 그림의 오른쪽에 나타낸 반원의 방정식 을 얻는다.
다음으로, 깊이 에 있는 조각은 두께가 인 직사각형 판 모양이다. 길이는 이고 너비는 이다. 따라서 이 조각의 부피는
이다. 물의 무게가 세제곱피트당 파운드이므로, 전형적인 조각의 무게(따라서 그 조각에 가해야 하는 힘)는
이다. 이 조각을 지하 피트 깊이에서 지면 위 피트에 있는 트럭의 탱크까지 옮기려면 각 조각이 피트를 이동해야 하므로, 이 조각을 옮기는 데 필요한 일은
이다. 마지막으로 탱크의 절반을 비우려면 부터 까지의 조각을 생각해야 하므로, 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 합하면
피트-파운드이다.
(b) 남아 있는 물이 탱크의 한쪽 끝면에 가하는 수압에 의한 힘을 구하기 위해, 먼저 위치 에 있는 직사각형 조각의 넓이를 구하면
이다. 이러한 조각은 와 사이에 놓이며, 이 의 값은 남아 있는 물의 맨 위부터 바닥까지의 깊이를 나타낸다. 이 구간의 에서 조각의 수면 아래 깊이는 이다. 압력은 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이므로
이다. 마지막으로 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은
이다. 이를 적분하여 전체 힘을 합하면
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) -axis with the positive -axis pointing straight down, so that corresponds to ground level and the value of tells us the depth of a particular location. The circular end of the tank has radius and is centered at the point since its top is feet underground. Thus, the equation of that circle is
Solving for , we find the equation of one half of the circle, the half that is pictured at right in the figure below: .
Next, for a slice at depth , its shape is a rectangular slab with thickness . Its length is , and its width is . Thus, the volume of such a slice is
With the water weighing pounds per cubic foot, the weight of (and thus force to be exerted upon) a typical slice is
To move such a slice from its depth feet below the ground to a tank on a truck that's feet above ground, each slice must travel feet, and thus the work to move the slice is
Finally, to empty half the tank, we need to consider slices from to , and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we get
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 , which is
We note that such a slice lies between and , which is the values of that represent the depths of remaining water from top to bottom. At an in this interval, the slice's depth below the surface of the water is . Thus, since pressure is weight-density times depth, it follows that
Finally, since , the total force water is exerting on this slice is
Integrating to sum the total force, we find
pounds.