높이가 5 m이고 반지름이 2 m인 원기둥 모양의 탱크에 질량 밀도가 737.22 kg/m3 인 휘발유가 3 m 높이만큼 채워져 있다. 휘발유를 모두 탱크의 꼭대기까지 퍼 올리는 데 한 일의 총량을 구하세요.
영어 원문 보기
A 5 m tall cylindrical tank with radius of 2 m is filled with 3 m of gasoline, with a mass density of 737.22 kg/m3. Compute the total work performed in pumping all the gasoline to the top of the tank.
높이가 6 ft이고 반지름이 3 ft인 원기둥 모양의 탱크에 무게 밀도가 62.4 lb/ft3 인 물이 가득 차 있다. 이 물을 탱크 꼭대기보다 2 ft 높은 지점까지 퍼 올리려 한다.
(a) 탱크의 물을 모두 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까?
(b) 탱크에서 물 3 ft 높이만큼을 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까?
(c) 전체 일의 1/2이 이루어지는 시점은 언제입니까?
영어 원문 보기
A 6 ft cylindrical tank with a radius of 3 ft is filled with water, which has a weight density of 62.4 lb/ft3. The water is to be pumped to a point 2 ft above the top of the tank.
(a) How much work is performed in pumping all the water from the tank?
(b) How much work is performed in pumping 3 ft of water from the tank?
(c) At what point is 1/2 of the total work done?
정답·풀이 보기
(a) 52,929.6 ft–lb
(b) 18,525.3 ft–lb
(c) 탱크에서 물을 3.83 ft 높이만큼 퍼냈을 때이며, 이때 탱크에는 약 2.17 ft 높이의 물이 남는다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) 52,929.6 ft–lb
(b) 18,525.3 ft–lb
(c) When 3.83 ft of water have been pumped from the tank, leaving about 2.17 ft in the tank.
휘발유 탱크로리에 무게 밀도가 45.93 lb/ft3 인 휘발유가 가득 차 있다. 바닥의 배출 밸브가 닫힌 채 고장이 나서, 작업자는 휘발유를 탱크 꼭대기보다 1 ft 높은 지점까지 퍼 올려 탱크를 비워야 한다. 탱크는 길이가 20 ft이고 지름이 7.5 ft인 완전한 원기둥이라고 가정한다.
탱크의 휘발유를 모두 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까?
영어 원문 보기
A gasoline tanker is filled with gasoline with a weight density of 45.93 lb/ft3. The dispensing valve at the base is jammed shut, forcing the operator to empty the tank via pumping the gas to a point 1 ft above the top of the tank. Assume the tank is a perfect cylinder, 20 ft long with a diameter of 7.5 ft.
How much work is performed in pumping all the gasoline from the tank?
정답·풀이 보기
192,767 ft–lb. 탱크가 가로로 놓여 있음에 주의한다. 탱크의 원형 단면 중 한쪽의 중심을 원점으로 하자. 반지름이 3.75 ft이고 휘발유를 y=4.75 까지 퍼 올리므로, 휘발유가 이동하는 거리는 h(y)=4.75−y 이다.
물의 미소 요소는 길이가 20이고 너비가 23.752−y2 인 직사각형이다. 따라서 이 휘발유 조각을 옮기는 데 필요한 힘은 F(y)=40⋅45.93⋅3.752−y2dy 이다. 한 일의 총량은 ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75−y)3.752−y2dy 이다. 이 값은 실제로 적분하지 않고도 구할 수 있다. 이 적분을 ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75)3.752−y2dy+∫−3.753.7540⋅45.93⋅(−y)3.752−y2dy 로 나눈다. 첫 번째 적분은 원의 넓이의 절반을 구하는 것으로 계산할 수 있고, 두 번째 적분은 어렵지 않게 0임을 보일 수 있다. (치환을 사용하면 위끝과 아래끝이 모두 0이 됨을 알 수 있다.)
원본 교재 풀이(영어)
192,767 ft–lb. Note that the tank is oriented horizontally. Let the origin be the center of one of the circular ends of the tank. Since the radius is 3.75 ft, the fluid is being pumped to y=4.75; thus the distance the gas travels is h(y)=4.75−y.
A differential element of water is a rectangle, with length 20 and width 23.752−y2. Thus the force required to move that slab of gas is F(y)=40⋅45.93⋅3.752−y2dy. Total work is ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75−y)3.752−y2dy. This can be evaluated without actual integration; split the integral into ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75)3.752−y2dy+∫−3.753.7540⋅45.93⋅(−y)3.752−y2dy. The first integral can be evaluated as measuring half the area of a circle; the latter integral can be shown to be 0 without much difficulty. (Use substitution and realize the bounds are both 0.)
반지름이 1 ft인 수직으로 세워진 원형 판의 중심이 물속 얼마나 깊이 잠겨야 판에 작용하는 유체의 힘이 1,000 lb에 이르는지 구하세요. 단, 물의 무게 밀도는 62.4 lb/ft3이다.
영어 원문 보기
How deep must the center of a vertically oriented circular plate with a radius of 1 ft be submerged in water, with a weight density of 62.4 lb/ft3, for the fluid force on the plate to reach 1,000 lb?
한 변의 길이가 2 ft인 수직으로 세워진 정사각형 판의 중심이 물속 얼마나 깊이 잠겨야 판에 작용하는 유체의 힘이 1,000 lb에 이르는지 구하세요. 단, 물의 무게 밀도는 62.4 lb/ft3이다.
영어 원문 보기
How deep must the center of a vertically oriented square plate with a side length of 2 ft be submerged in water, with a weight density of 62.4 lb/ft3, for the fluid force on the plate to reach 1,000 lb?
중력에 대항하여 3그램 질량의 블록을 10 센티미터 높이만큼 들어 올리는 데 필요한 일(줄 단위)을 구하세요 (g=9.8 m/sec2 이용).
영어 원문 보기
Find the work (in joules) required to lift a 3-gram block of matter a height of 10 centimetres against the force of gravity (with g=9.8 m/sec2).
답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기
힘은 질량 × 가속도이고(이 문제에서 가속도는 g와 같다), 이 상황에서는 둘 다 상수이므로 블록에 작용하는 힘을 계산하는 데 적분은 필요 없고 곱셈만 하면 된다.
힘을 뉴턴 단위로 구하기 위해, 1뉴턴이 sec2kg⋅m 임을 떠올리면 블록의 질량이 kg 단위로 필요하다. 블록의 질량은 10003 kg 이다. 따라서 작용하는 힘은
F=(10003 kg)×(9.8sec2m)=0.0294sec2kg⋅m=0.0294N
일을 줄 단위로 구하기 위해, 1줄은 1뉴턴미터, 즉 1뉴턴의 힘이 1미터에 걸쳐 작용한 일임을 떠올리자. 따라서 거리를 미터 단위로 나타내야 한다.
W=(0.0294N)×(101m)=0.00294N⋅m=0.00294J
원본 교재 풀이(영어)
Force is mass × acceleration (with acceleration equal to g in this problem), and both in this scenario are constant, so we don't need an integral–only a product–to calculate the force acting on the block.
To find the force in newtons, recall one newton is one sec2kg⋅m, so we need the mass of our block in kg. Specifically, our block has mass 10003 kg. So, the force involved is
F=(10003 kg)×(9.8sec2m)=0.0294sec2kg⋅m=0.0294N
To find the work in joules, recall one joule is one newton-metre: that is, one newton of force acting over one metre. So, we need our distance in metres.
W=(0.0294N)×(101m)=0.00294N⋅m=0.00294J
바위가 중력 때문에 놓여 있는 땅에 1 N의 힘을 가한다. g=9.8 m/sec2 을 이용하세요.
바위의 질량은 얼마인지 구하세요.
그 바위를 공중으로 1미터 들어 올리는 데 드는 일(줄 단위)은 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
A rock exerts a force of 1 N on the ground where it sits due to gravity. Use g=9.8 m/sec2.
What is the mass of the rock?
How much work (in joules) does it take to lift that rock one metre in the air?
정답·풀이 보기
바위의 힘은 1뉴턴, 즉 1 킬로그램미터 매 초 제곱이므로
1sec2kg⋅m=(xkg)(9.8sec2m)
따라서 바위의 질량은 9.81 kg, 즉 약 102그램이다.
이제 1줄이 1뉴턴미터이므로, 1 N의 중력에 맞서 1미터 동안 해야 하는 일은 정확히 1줄이다.
참고: 1줄의 일이 어느 정도이고 1뉴턴의 힘이 어느 정도인지 감을 잡아 두면 계산 결과가 타당한지 확인하는 데 좋은 도구가 된다. 예를 들어 이 문제를 푼 뒤에 구슬 하나의 무게가 100 N 이라는 결과가 나왔다면, 계산에 오류가 있다고 거의 확신할 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
The force of the rock is one newton, or one kilogram-metre per second squared, so
1sec2kg⋅m=(xkg)(9.8sec2m)
Therefore, the mass of the rock is 9.81 kg, or about 102 grams.
Now, since one joule is one newton-metre, the amount of work required to counteract 1 N of gravitational force for one metre is precisely one joule.
Remark: having an idea of how much work a joule is, and how much force a newton is, is a good tool for checking the reasonableness of your work. For example, after this question, if you calculate that a marble weighs 100 N, you can be pretty sure there's an error in your calculation.
다음 등식을 생각하세요.
W=∫abF(x)dx
여기서 x 는 미터(m) 단위로 측정하고, F(x) 는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정합니다.
충분히 큰 어떤 n 에 대해 다음과 같이 어림할 수 있습니다.
W≈i=1∑nF(xi)Δx
여기서 Δx=nb−a 이고 xi 는 구간 [a+(i−1)Δx,a+iΔx] 안의 어떤 수입니다. (이것은 리만 합의 일반적인 꼴일 뿐입니다.)
(a) Δx 의 단위는 무엇인지 구하세요.
(b) F(xi) 의 단위는 무엇인지 구하세요.
(c) 위의 답을 이용하여 W 의 단위는 무엇인지 구하세요.
참고: 본문에서 이미 W 의 단위를 알고 있지만, 리만 합을 통해 이 특정한 적분에서 그 단위가 왜 타당한지 알 수 있습니다.
영어 원문 보기
Consider the equation
W=∫abF(x)dx
where x is measured in metres and F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons).
For some large n, we might approximate
W≈i=1∑nF(xi)Δx
where Δx=nb−a and xi is some number in the interval [a+(i−1)Δx,a+iΔx]. (This is just the general form of a Riemann sum).
(a) What are the units of Δx?
(b) What are the units of F(xi)?
(c) Using your answers above, what are the units of W?
Remark: we already know the units of W from the text, but the Riemann sum illustrates why they make sense arising from this particular integral.
정답·풀이 보기
(a) Δx=nb−a 으로 정의하였다. 즉, [a,b] 를 n 개로 나눌 때 한 구간의 길이이다. b 와 a 를 미터로 측정하면 Δx 도 미터로 측정된다. 따라서 Δx 의 단위는 미터이다.
다르게 말하면, a 와 b 가 모두 미터 단위의 양을 나타내므로 b−a 도 미터 단위의 양을 나타낸다. (단위가 같은 양끼리 더하거나 빼면 그 합이나 차도 같은 단위로 주어진다.) n 은 단위가 없는 양(단순한 수이며 “n kg” 이나 “n m” 이 아님)이므로 nb−a 도 여전히 미터 단위의 양을 나타낸다. (6 미터의 천을 3 조각으로 자르면 각 조각은 36=2 미터이다. 2 킬로그램이나 매 초 2 미터가 아니다.)
(b) F(x) 를 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정하므로 F(xi) 의 단위는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴)이다.
(c) W 는 F(xi)Δx 꼴의 항들을 더하여 구한다. F(xi)Δx 의 단위는 F(xi) 의 단위와 Δx 의 단위의 곱이다. 즉, F(xi)Δx 의 단위는 (sec2kg⋅m)(m)=sec2kg⋅m2=J 이다. 줄 단위로 주어진 항들의 합은 그 자체로 줄 단위이므로 W 의 단위는 줄이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We defined Δx=nb−a: that is, the length of one interval, when we chop [a,b] into n of them. If b and a are measured in metres, then Δx is measured in metres as well. So, the units of Δx are metres.
Put another way, since a and b both describe a quantity in metres, b−a describes a quantity in metres as well. (When we add or subtract quantities of the same units, their sum or difference is given in the same units.) Since n is a unitless quantity (simply a number: not “n kg" or “n m"), nb−a still describes a quantity in metres. (If I have 6 metres of cloth, and I cut it into 3 pieces, each piece has 36=2 metres–not 2 kilograms, or 2 metres per second.)
(b) Since F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons), the units of F(xi) are kilogram-metres per second squared (newtons).
(c) W is calculated by adding up summands of the form F(xi)Δx. The units of F(xi)Δx are the products of the units of F(xi) with the units of Δx. That is, the units of F(xi)Δx are (sec2kg⋅m)(m)=sec2kg⋅m2=J. The sum of terms given in joules is itself given in joules, so the units of W are joules.
비행 전에 짐의 무게를 재려고 합니다. 저울이나 천칭은 없지만, 동네 공학 용품점에서 산 튼튼한 용수철이 있습니다. 이 용수철을 벽에 못으로 박아 고정하고, 용수철의 아래쪽 끝이 걸리는 위치를 표시합니다. 용수철에 1리터짜리 물주머니(질량 1킬로그램)를 매달았더니 용수철이 1 cm 늘어났습니다. 질량 10kg을 매달았을 때에 해당하는 용수철의 아래쪽 끝은 벽의 어느 위치에 표시해야 하는지 구하세요.
용수철은 훅의 법칙을 따른다고 가정해도 됩니다.
영어 원문 보기
You want to weigh your luggage before a flight. You don't have a scale or balance, but you do have a heavy-duty spring from your local engineering-supply store. You nail it to your wall, marking where the bottom hangs. You hang a one-litre bag of water (with mass one kilogram) from the spring, and observe that the spring stretches 1 cm. Where on the wall should you mark the bottom of the spring corresponding to a hanging mass of 10kg?
You may assume that the spring obeys Hooke's law.
정답·풀이 보기
훅의 법칙에 따르면 용수철을 원래 길이에서 x 단위만큼 늘이는 데 필요한 힘은 x 에 비례한다. 즉, 각 용수철마다 정해지는 어떤 상수 k 가 있어서, 용수철을 원래 길이에서 x m 만큼 늘이는 데 필요한 힘은 kx 이다.
풀이 1: 용수철을 늘이는 데 필요한 힘은 늘어난 길이에 비례하고, 용수철에 작용하는 힘은 매달린 질량에 비례하므로, 용수철이 늘어나는 길이는 매단 질량에 비례한다고 결론지을 수 있다. 따라서 1 kg이 용수철을 1 cm 늘인다면 10 kg은 10 cm 늘일 것이다. 하중이 걸리지 않은 상태에서 …아래쪽 끝보다 10 cm 아래인 벽 위치에 표시를 해야 한다.
풀이 2: 물주머니로 한 실험에서 k 를 구할 수 있다. 물주머니가 가한 힘은 (1 kg)(9.8 m/sec2)=9.8 N=k(1 cm) 이다. 따라서
k=0.01 m9.8sec2kg⋅m=980sec2kg
용수철에 10 kg을 매달면 중력이 (10 kg)(9.8 m/sec2)=98sec2kg⋅m 의 힘을 가한다. 이 힘은 용수철이 kx 뉴턴의 힘으로 맞서 균형을 이룬다. 여기서 k 는 용수철 상수이고 x 는 늘어난 길이이다.
Hooke's law says that the force required to stretch a spring x units past its natural length is proportional to x; that is, there is some constant k associated with the individual spring such that the force required to stretch it x m past its natural length is kx.
Solution 1: Since the force required to stretch the spring is proportional to the amount stretched, and the force acting on the spring is proportional to the mass hanging from it, we conclude the amount the spring stretches is proportional to the mass hung from it. So, if 1 kg stretches it 1 cm, then 10 kg will stretch it 10 cm. We should mark the wall 10 cm below the bottom of the spring as it hangs unloaded.
Solution 2: We can find k from the test with the bag of water. The force exerted by the bag of water was (1 kg)(9.8 m/sec2)=9.8 N=k(1 cm). So,
k=0.01 m9.8sec2kg⋅m=980sec2kg
If we hang 10 kg from the spring, gravity exerts a force of (10 kg)(9.8 m/sec2)=98sec2kg⋅m. This will be matched by the spring with a force of kx newtons, where k is the spring constant and x is the amount stretched.
일회용 종이컵이 반지름 5 cm, 높이 15 cm인 직원뿔 모양이고, 물이 가득 채워져 있습니다. 빨대로 원뿔 안의 물을 모두 빨아올릴 때 한 일은 얼마인지 구하세요.
물 1 m3 의 질량은 1000 킬로그램이고, 중력 가속도는 −9.8 m/sec2 이며, 물은 컵의 맨 위까지만 올라가고 그보다 더 높이 올라가지는 않는다고 가정해도 됩니다.
영어 원문 보기
A disposable paper cup has the shape of a right circular cone with radius 5 cm and height 15 cm, and is completely filled with water. How much work is done sucking all the water out of the cone with a straw?
You may assume that 1 m3 of water has mass 1000 kilograms, the acceleration due to gravity is −9.8 m/sec2, and that the water moves as high up as the very top of the cup and no higher.
답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기
수평인 얇은 물층 하나를 빨아올리는 경우를 생각하자. 물이 원뿔의 바닥에서 y 미터 높이에 있으면, 0.15−y 미터만큼 끌어올려야 한다. 따라서 그 질량이 m kg 이면 그 물층에 작용하는 중력은 9.8m N 이고, 이를 원뿔의 맨 위까지 빨아올리는 데 드는 일은 9.8m(0.15−y) J 이다. 그러므로 구해야 할 것은 원뿔의 바닥에서 y 미터 높이에 있는 물층의 질량이다.
원뿔의 수평 단면은 원이다. 그 반지름을 구하기 위해 닮은 삼각형을 이용하면 yr=0.150.05 이므로 r=31y 이다. 따라서 원뿔의 바닥에서 y 미터 높이에 있는 단면의 넓이는 π(31y)2=9πy2 m2 이다. 이 물층의 높이가 dy 이면 부피는
9πy2dy m3 이고, 질량은 10009πy2dy kg 이다.
이제 컵의 바닥에서 y 미터 높이에 있는 물층을 빨아올리는 데 드는 일은 9.8(0.15−y)(10009πy2dy) J 임을 알았다. 따라서 물을 모두 마시는 데 드는 일은 다음과 같다.
Let's consider sucking up a flat, horizontal layer of water. If the water is y metres above bottom of the cone, then it needs to be raised 0.15−y metres. So, if its mass is m kg, then the force of gravity acting on it is 9.8m N and the work involved in slurping it to the top of the cone is 9.8m(0.15−y) J. So, what we need to find is the mass of a layer of water y metres from the bottom of the cone.
A horizontal cross-section of the cone is a circle. To find its radius, we use similar triangles: yr=0.150.05, so r=31y. Therefore, the area of the cross-section of the cone y metres above its bottom is π(31y)2=9πy2 m2. If this layer has height dy, then its volume is
9πy2dy m3, and its mass is 10009πy2dy kg.
Now, we know that the work to suck up the layer of water y metres from the bottom of the cup is 9.8(0.15−y)(10009πy2dy) J. So, the work involved in drinking all the water is:
아래 그림과 같이, 직육면체 모양의 물탱크에는 밑면의 길이를 줄이거나 늘려서 수면의 높이를 올리거나 내릴 수 있는 플런저가 달려 있다. 이 탱크의 밑면의 너비는 1 m (변하지 않는다)이고, 3 m3의 물이 들어 있다.
플런저의 아주 작은 조각에 작용하는 물의 힘은 PA 이다. 여기서 P 는 물의 압력이고, dA 는 그 작은 조각의 넓이이다. 압력은 (수면 아래) 조각의 깊이에 따라 달라진다. 구체적으로 P=cD 이며, 여기서 D 는 그 작은 조각의 깊이이고 c 는 상수로, 이 경우
c=9800 N/m3 이다.
(a) 밑면의 길이가 3 m일 때, 플런저 전체에 작용하는 물의 힘을 구하세요. (적분으로 구할 수 있다. 플런저의 모든 작은 조각에 작용하는 힘의 합이다.)
(b) 밑면의 길이가 x m일 때, 플런저 전체에 작용하는 물의 힘을 구하세요.
(c) 밑면의 길이가 3 m에서 1 m가 되도록 플런저를 안쪽으로 밀 때 필요한 일을 구하세요.
영어 원문 보기
A rectangular tank is fitted with a plunger that can raise and lower the water level by decreasing and increasing the length of its base, as in the diagrams below. The tank has base width 1 m (which does not change) and contains 3 m3 of water.
The force of the water acting on any tiny piece of the plunger is PA, where P is the pressure of the water, and dA is the area of the tiny piece. The pressure varies with the depth of the piece (below the surface of the water). Specifically, P=cD, where D is the depth of the tiny piece and c is a constant, in this case
c=9800 N/m3.
(a) If the length of the base is 3 m, give the force of the water on the entire plunger. (You can do this with an integral: it's the sum of the force on all the tiny pieces of the plunger.)
(b) If the length of the base is x m, give the force of the water on the entire plunger.
(c) Give the work required to move the plunger in so that the base length changes from 3 m to 1 m.
답 쓰고 채점
(a)
N
(b)
N
(c)
J
정답·풀이 보기
(a) 물의 힘은 깊이에 따라 달라지며, 깊이는 일정하지 않다. 따라서 깊이 y 에 있는 플런저의 얇은 직사각형 조각을 생각하자. 이 조각의 높이는 dy 이고 너비는 1 m (플런저 전체의 너비)이다. 이 직사각형의 넓이를 dA 라 하자.
이 직사각형의 넓이는 1dy m2 이므로, 이 조각에 작용하는 물의 힘은 F=P⋅dA=c(9800m3N)d(y m)dA(dy m2)=9800ydy N 이다.
플런저 윗부분의 깊이는 y=0 이다. 플런저 아랫부분의 깊이를 구하기 위해, 물의 부피가 3 m3 이고 밑면이 1 m × 3 m인 직육면체 용기에 담겨 있음에 주목하자. 따라서 물의 높이는 1 m 이다.
깊이 y=0 부터 y=1 까지 플런저 전체에 작용하는 힘은 다음과 같다.
∫019800ydy=[4900y2]01=4900 N
(b) (a)의 풀이를 따라 하되, 밑면의 길이를 x m 로 놓자.
여전히 플런저의 얇은 직사각형 조각의 너비는 1 m 이고 높이는 dy m 이므로, 넓이는 dy m2 이다. 깊이 y 에서 이 조각이 물로부터 받는 힘은 9800ydy N 이다. 이것은 (a)와 달라지지 않았다.
이제 물의 깊이를 생각해 보자. 물의 부피는 3 m3 이고, 밑면이 1 m × x m 인 직육면체 용기에 담겨 있다. 따라서 물의 깊이는 3/x m 이다.
그러므로 플런저 전체에 작용하는 힘은 y=0 부터 y=3/x 까지 계산해야 한다.
F(x)=∫03/x9800ydy=[4900y2]03/x=x294900=x244100 N
이 답이 타당한지 확인해 보자. F(3)=4900 N 이므로 (a)의 답과 일치한다.
(c) 밑면의 길이가 x 미터일 때 플런저에 작용하는 물의 힘이 F(x) 라면, 우리는 −F(x) 의 힘으로 플런저를 밀게 된다. 그러면 우리가 구하려는 일은 다음과 같다.
(a) The force of the depends on depth, which varies. So, consider a thin rectangle of the plunger at depth y, with height dy and width 1 m (the width of the entire plunger). Let the area of this rectangle be dA.
The area of this rectangle is 1dy m2, so the force of the water acting on it is F=P⋅dA=c(9800m3N)d(y m)dA(dy m2)=9800ydy N.
The depth at the top of the plunger is y=0. To find the depth at the bottom of the plunger, note that the water has a volume of 3 m3, and is in a rectangular container with base 1 m by 3 m. So, its height is 1 m.
The force over the entire plunger, from depth y=0 to y=1, is
∫019800ydy=[4900y2]01=4900 N
(b) Let's follow our work from part (a), but with the width of the length of the base as x m.
Still, a thin rectangle of plunger has width 1 m and height dy m, so it has area dy m2. At depth y, it has a force from the water of 9800ydy N. This hasn't changed from (a).
Now, let's consider the depth of the water. The volume of water is 3 m3, and it is in a rectangular container with base 1 m by x m. So, its depth is 3/x m.
Therefore, the force on the entire plunger must be calculated from y=0 to y=3/x.
F(x)=∫03/x9800ydy=[4900y2]03/x=x294900=x244100 N
Let's check that this answer makes sense: F(3)=4900 N, which matches our answer from (a).
(c) If the force of water acting on the plunger, when the length of the base is x metres, is given by F(x), then we push the plunger with a force of −F(x). Then the work we're looking for is
WF(x) is exactly what we found in (b): F(x)=x244100 N.W=∫31−F(x)dx=∫13F(x)dx=∫13F(x)dx=∫13x244100dx=44100[−x1]13=44100⋅32=29400 J
물이 새는 양동이가 우물에서 물 5 L를 담아 올리는데, 10초마다 1 L씩 물이 떨어져 나갑니다. 이 양동이를 2초에 1미터씩 일정한 속력으로 5미터 끌어올렸다면, 한 일의 양은 얼마인지 구하세요.
밧줄과 양동이의 질량은 무시할 수 있고 물 1리터의 질량은 1 kg이라고 가정하며, 중력가속도는 9.8 m/sec2을 사용하세요.
영어 원문 보기
A leaky bucket picks up 5 L of water from a well, but drips out 1 L every ten seconds. If the bucket was hauled up 5 metres at a constant speed of 1 metre every two seconds, how much work was done?
Assume the rope and bucket have negligible mass and one litre of water has 1 kg mass, and use 9.8 m/sec2 for the acceleration due to gravity.
답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기
먼저 끌어올린 시간을 끌어올린 길이로 바꾸어 보자. 밧줄을 y 미터 끌어올렸을 때 2y 초가 지났으므로 양동이에서 51y 리터의 물이 새어 나갔고, 5−51y 리터가 남는다. (이는 51y≤5 일 때만 의미가 있지만, 여기서는 y 가 0에서 5까지인 경우만 생각하므로 문제가 되지 않는다. 즉, 더 이상 샐 물이 없는 빈 양동이를 끌어올리는 경우는 없다.)
밧줄을 y 미터 끌어올렸을 때 양동이 속 물의 질량은 (5−51y) kg이므로, 물에 작용하는 중력은 9.8(5−51y) N이다. 밧줄을 5미터 끌어올리므로 한 일의 양은 다음과 같다.
W=∫059.8(5−51y)dy=9.8[5y−101y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 J
원본 교재 풀이(영어)
Let's start by converting from time spent pulling to amount pulled. When y metres of rope have been pulled up, 2y seconds have passed, so 51y litres of water have leaked out of the bucket, leaving 5−51y litres. (This only makes sense when 51y≤5, but we only consider values of y from 0 to 5, so it's not a problem. That is, we're never hauling up an empty bucket that can't leak any more.)
When we've pulled up y metres of rope, the mass in the bucket is (5−51y) kg, so the force of gravity acting on it is 9.8(5−51y) N. Since we pull up 5 metres of rope, the work done is:
W=∫059.8(5−51y)dy=9.8[5y−101y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 J
질량이 각각 m1, m2 인 두 물체 사이의 중력은 F=Gr2m1m2 이다. 여기서 r 은 두 물체 사이의 거리이고 G 는 중력 상수이다.
지구와 달 사이의 중력이 무시할 수 있을 만큼 충분히 멀리 두 천체를 떼어 놓는 데 필요한 일은 얼마인지 구하세요.
지구의 질량은 6×1024 kg 이고
달의 질량은 7×1022 kg 이며, 현재 두 천체는 서로 400000 km
떨어져 있다고 가정하세요. 또한 G=6.7×10−11kg⋅sec2m3 이고, 지구와 달에 작용하는 힘은 둘 사이의 중력뿐이라고 가정하세요.
영어 원문 보기
The force of gravity between two objects, one of mass m1 and another of mass m2, is F=Gr2m1m2, where r is the distance between them and G is the gravitational constant.
How much work is required to separate the earth and the moon far enough apart that the gravitational attraction between them is negligible?
Assume the mass of the earth is 6×1024 kg
and the mass of the moon is 7×1022 kg, and that they are currently 400000 km
away from each other. Also, assume G=6.7×10−11kg⋅sec2m3, and the only force acting on the earth and moon is the gravity between them.
정답·풀이 보기
두 물체 사이의 중력 공식에 따르면 지구와 달은 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 중력으로 끌어당기므로, 우리가 구하려는 것은 두 천체를 무한히 멀리 떼어 놓는 데 필요한 일이다. 즉 다음을 계산하면 된다.
∫a∞F(r)dr, 여기서 a=400000000 m 이다.
참고: 지구와 달 사이의 중력은 두 천체가 멀어질수록 약해지므로, 1킬로미터씩 옮기는 데 드는 일은 점점 줄어든다. 두 천체를 유한한 거리만큼 떼어 놓는 경우, 그 거리가 아무리 크더라도 필요한 일은 항상 7×1028 줄보다 작다. 아주 아주 먼(그러나 유한한) 거리만큼 떼어 놓으면, 한 일은 7×1028 줄에 매우 가까워진다(그래도 그보다는 작다).
원본 교재 풀이(영어)
According to the formula for gravity between two objects, the earth and moon will gravitationally attract one another no matter how far apart they are, so what we're looking for is the work to separate them infinitely far. That is, we want to calculate
∫a∞F(r)dr, where a=400000000 m.
If we take m1 and m2 to be the mass of the earth and moon as given in the question statement, then:
Remark: since the force of gravity between the earth and the moon gets weaker as they are farther apart, it takes less and less work to move them each kilometre. If we move them a finite distance apart, the work involved will always be less than 7×1028 joules, no matter how huge that finite distance is. If we move them a very, very long (but finite) distance apart, the work we did will be quite close to (but still less than) 7×1028 joules.
모래시계의 높이는 0.2 m이고, 수직 중심에서 위쪽이나 아래쪽으로 y 미터 떨어진 곳의 반지름이 y2+0.01 m가 되는 모양이다.
이 모래시계에는 모래가 정확히 절반만큼 차 있으며, 모래의 질량은
M=71 킬로그램이다.
모래시계를 재빨리 뒤집을 때 모래에 해 준 일은 얼마인지 구하세요.
한 일은 중력을 거슬러 움직이는 데 든 것뿐이라고 가정하고, g=9.8 m/sec2 이며 모래의 밀도는 균일하다고 하자. 또한 위 그림과 같이 모래시계를 뒤집는 순간에는 모래가 아직 떨어지기 시작하지 않았다고 가정하세요.
영어 원문 보기
An hourglass is 0.2 m tall and shaped such that that y metres above or below its vertical centre it has a radius of y2+0.01 m.
It is exactly half-full of sand, which has mass
M=71 kilograms.
How much work is done on the sand by quickly flipping the hourglass over?
Assume that the work done is only moving against gravity, with g=9.8 m/sec2, and the sand has uniform density. Also assume that at the instant the hourglass is flipped over, the sand has not yet begun to fall, as in the picture above.
정답·풀이 보기
한 일은 중력을 거스르는 일뿐이므로, 모래가 얼마나 높이 들어 올려졌는지만 알면 되고 어떻게 그곳에 도달했는지는 알 필요가 없다. 따라서 모래의 반원 모양 경로는 신경 쓰지 않아도 된다. 모래알 하나하나가 원래 위치에서 새 위치로 들어 올려졌다고 생각하면 된다.
모래시계의 수직 중심에서 y 미터 아래에 있는 얇고 수평인 모래층을 생각하자.
이 층의 나중 위치는 모래시계의 중심에서 y 미터 위이다. 즉, 중력을 거슬러 2y 미터만큼 들어 올려졌다.
이 층은 반지름이 y2+0.01 이고 높이가 dy 인 원기둥 모양이므로, 부피는 π(y2+0.01)2dy 세제곱미터이다.
이 층의 질량을 구하려면 모래의 밀도를 알아야 한다. 모래시계 안 모래의 부피를 V 라 하자. 질량 M 은 주어져 있다. 그러면 π(y2+0.01)2dy 세제곱미터의 질량은 VMπ(y2+0.01)2dy 킬로그램이다.
따라서 이 층에 작용하는 중력은 9.8VMπ(y2+0.01)2dy N이며, 수직 아래 방향으로 작용한다.
이 층을 나중 위치로 들어 올리려면 2y 미터의 거리에 걸쳐 중력을 상쇄하는 힘을 가해야 하므로, 한 일의 총량은 9.8VMπ(y2+0.01)22ydy J이다.
모래시계의 높이가 0.2 m이고 정확히 절반이 모래로 차 있으므로, 맨 위 모래층은 모래시계의 수직 중심에 정확히 놓이고, 맨 아래 모래층은 그 아래 0.1 미터에 있다.
V 는 모래시계 안 모래의 부피이고 M 은 그 질량이므로(M=71 kg 이 주어져 있다), 모래 전체를 뒤집는 데 한 일의 총량은 다음과 같다.
Since the only work done is against the force of gravity, we only need to know how high the sand was lifted, not how it got there. So, we don't really need to worry about its semicircular path: we can imagine that every grain of sand was lifted from its old position to its new position.
Consider a thin, horizontal layer of sand in the hourglass, y metres below the vertical centre of the hourglass.
Its final position is y metres above the centre of the hourglass. That is, it was lifted 2y metres against the force of gravity.
The layer is shaped like a circle with radius y2+0.01 and height dy, so its volume is π(y2+0.01)2dy cubic metres.
To find the mass of the layer, we need to know the density of the sand. Let the volume of sand in the hourglass be V. We are given its mass M. Then π(y2+0.01)2dy cubic metres has a mass of VMπ(y2+0.01)2dy kilograms.
So, the force of gravity acting on the layer is 9.8VMπ(y2+0.01)2dy N, acting vertically downwards.
To lift the layer to its final position, we apply a compensating force over a distance of 2y metres, for a total work of 9.8VMπ(y2+0.01)22ydy J.
Since the hourglass has height 0.2 m, and exactly half of it is filled with sand, the top layer of sand is exactly at the vertical centre of the hourglass, and the bottom layer of sand is 0.1 metres below.
Using V is the volume of sand in the hourglass, and M is its mass (we're given M=71 kg) then the total work flipping all the sand is:
It remains to find V: the volume of sand in the hourglass. We know the sand is in the shape of a solid of rotation. Recall from Section 1.6 that we can find the volume of such shapes by slicing them into thin disks.
In the picture above, we've used an axis that matches the way we've been describing our solid: 0 is the vertical centre of the hourglass, which is where the top of the sand is, and the bottom of the sand is 0.1 metres from 0.
To find the volume of this solid, we slice it into horizontal disks. The disk that is x metres from the centre of the hourglass has radius x2+0.01 and thickness dx, so it has volume π(x2+0.01)2dx. The volume of the entire solid, i.e. the volume of the sand, is:
함수 f(x) 의 구간 [a,b] 에서의 평균값을 어림하려고 한다. 이를 위해 구간 [a,b] 를 n 개의 조각으로 자르고, a 에서 시작하여 각 조각의 왼쪽 끝점에서 함수의 출력값을 구함으로써 n 개의 표본을 얻는다. 그런 다음 이 n 개의 표본의 평균을 구한다. (아래 예에서는 n=4 이다.)
(a) n 개의 표본을 사용할 때, 이웃한 두 표본점 xi 와 xi+1 사이의 거리를 구하세요.
(b) n≥4 라고 할 때, 네 번째 표본의 x 좌표를 구하세요.
(c) n≥4 라고 할 때, 네 번째 표본의 y 값을 구하세요.
(d) 구간 [a,b] 에서 f(x) 의 평균값의 어림값을 시그마 기호를 사용하여 나타내세요.
영어 원문 보기
Suppose we want to approximate the average value of the function f(x) on the interval [a,b]. To do this, we cut the interval [a,b] into n pieces, then take n samples by finding the function's output at the left endpoint of each piece, starting with a. Then, we average those n samples. (In the example below, n=4.)
(a) Using n samples, what is the distance between two consecutive sample points xi and xi+1?
(b) Assuming n≥4, what is the x-coordinate of the fourth sample?
(c) Assuming n≥4, what is the y-value of the fourth sample?
(d) Write the approximation of the average value of f(x) over the interval [a,b] using sigma notation.
정답·풀이 보기
(a) 전체 구간의 길이는 b−a 이고 이를 n 개의 조각으로 자르므로, 한 조각의 길이(따라서 이웃한 두 표본 사이의 거리)는 nb−a 이다.
(b) 문제에서 주어진 대로 첫 번째 표본은 x=a 에서 얻는다. 그러면 두 번째 표본은 x=a+nb−a 에서, 세 번째 표본은 x=1+2nb−a 에서, 네 번째 표본은 a+3nb−a 에서 얻는다.
(c) 네 번째 표본의 y 값은 간단히 f(a+3nb−a) 이다. 평균을 구할 때 사용하는 값은 x 값이 아니라 이 값임에 주의한다.
(d) 표본은 f(a), f(a+nb−a),
f(a+2nb−a),
f(a+3nb−a), ... 이다. 표본이 n 개이므로 이들의 합을 n 으로 나눈다. 따라서 평균은 다음과 같다.
n 이 점점 커지면, 정적분의 정의에 따라 이 식은 b−a1∫abf(x)dx 에 점점 가까워진다. 이것은 구간에서 함수의 평균값을 이렇게 정의하는 것이 타당함을 보이는 한 가지 방법이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The entire interval has length b−a, and we're cutting it into n pieces, so the length of one piece (and hence the distance between two consecutive samples) is nb−a.
(b) The first sample, as given in the question statement, is taken at x=a. The second sample, then, is at x=a+nb−a, this third is at x=1+2nb−a, and the fourth is at a+3nb−a.
(c) The y-value of the fourth sample is simply f(a+3nb−a). Note this is the number we use in our average, not the x-value.
(d) Our samples are f(a), f(a+nb−a),
f(a+2nb−a),
f(a+3nb−a), etc. Since there are n of them, we divide their sum by n. So, the average is:
Remark: if we multiply and divide by b−a, we see this expression is equivalent to a left Riemann sum, divided by the length of our interval.nf(a)+f(a+nb−a)+f(a+2nb−a)+⋯+f(a+(n−1)nb−a)=n1[f(a)+f(a+nb−a)f(a+2nb−a)+⋯+f(a+(n−1)nb−a)]=n1i=1∑nf(a+(i−1)nb−a)=b−a1i=1∑nf(a+(i−1)nb−a)nb−a=b−a1i=1∑nf(a+(i−1)Δx)Δx
As n gets larger and larger, using the definition of a definite integral, this expression gets closer and closer to b−a1∫abf(x)dx. This is one way of justifying our definition of an average of a function on an interval.
(a) [0,10] 의 모든 x 에 대해 f(x)≤g(x) 이면, 구간 [0,10] 에서 f(x) 의 평균값은 g(x) 의 평균값보다 작거나 같은지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요.
(b) [0.01,10] 의 모든 x 에 대해 f(x)≤g(x) 라고 하자. 구간 [0,10] 에서 f(x) 의 평균값은 g(x) 의 평균값보다 작거나 같은지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요.
영어 원문 보기
Suppose f(x) and g(x) are functions that are defined for all numbers in the interval [0,10].
(a) If f(x)≤g(x) for all x in [0,10], then is the average value of f(x) is less than or equal to the average value of g(x) on the interval [0,10], or is there not enough information to tell?
(b) Suppose f(x)≤g(x) for all x in [0.01,10]. Is the average value of f(x) less than or equal to the average value of g(x) over the interval [0,10], or is there not enough information to tell?
정답·풀이 보기
(a) 예, [0,10] 에서 f(x) 의 평균은 g(x) 의 평균보다 작거나 같다. 그 이유는 [0,10] 의 모든 x 에 대해 f(x)≤g(x) 이면 다음이 성립하기 때문이다.
101∫010f(x)dx≤101∫010g(x)dx.
(b) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. 물론 성립할 수도 있다. 예를 들어 [0,10] 의 모든 x 에 대해 f(x)=0, g(x)=1 이라 하자. 그러면 f(x)≤g(x) 이고 f(x) 의 평균은 0이며, 이는 g(x) 의 평균인 1보다 작다.
그러나 f(x)={1000(0≤x≤0.01일때)그외 이고 g(x)=0 인 경우를 생각하자. 그러면 [0.01,10] 의 모든 x 에 대해 f(x)≤g(x) 이지만, f(x) 의 평균은 0.1 이고 g(x) 의 평균은 0이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Yes, the average of f(x) is less than or equal to the average of g(x) on [0,10]. The reason is that, if f(x)≤g(x) for all x in [0,10], then:
101∫010f(x)dx≤101∫010g(x)dx.
(b) There is not enough information to tell. It's certainly possible: for instance, take f(x)=0 and g(x)=1 for all x in [0,10]. Then f(x)≤g(x) and the average of f(x) is 0, which is less than 1, the average of g(x).
However, consider f(x)={1000 if 0≤x≤0.01 else and g(x)=0. Then f(x)≤g(x) for all x in [0.01,10], but the average of f(x) is 0.1, while the average of g(x) is 0.