문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

밀도·질량과 질량중심

밀도를 적분해 질량을 구하고, 모멘트로 질량중심(무게중심)을 찾는다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 2.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여 두 곡선 y=(x−1)2y=(x-1)^2 과 y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1 사이에 있는 유한한 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the finite region between the curves y=(x−1)2y=(x-1)^2 and y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1.

figure

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−x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2 임에 주목한다. 따라서 두 포물선은 모두 직선 x=1x=1 에 대해 대칭이므로, 무게중심의 xx 좌표는 x=1x=1 이다.

그림

두 포물선은 다음과 같을 때 만난다.

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

이 두 점에서 모두 y=1y=1 이므로 이 도형은 직선 y=1y=1 에 대해 대칭이다. 그러면 무게중심의 yy 좌표는 11 이다.

그림

따라서 무게중심은 (1,1)(1,1) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note −x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2. So, both parabolas are symmetric about the line x=1x=1, and the xx-coordinate of the centroid is x=1x=1.

figure

The parabolas meet when:

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

At both these points, y=1y=1, so we see the figure is symmetric about the line y=1y=1. Then the yy-coordinate of the centroid is 11.

figure

Therefore, the centroid is at (1,1)(1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 6번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 2.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여, 원점을 중심으로 하는 단위원의 내부이면서 역시 원점을 중심으로 하는 가로 1, 세로 0.5인 직사각형의 외부에 있는 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the region inside the unit circle, centred on the origin, and outside a rectangle, also centred on the origin, with width 1 and height 0.5.

figure

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원과 잘라 낸 직사각형은 xx 축에 대해서도, yy 축에 대해서도 대칭이므로 무게중심은 원점이다.

참고: 영역의 무게중심이 반드시 그 영역에 속하는 점일 필요는 없다!

원본 교재 풀이(영어)

The circle and the cut-out rectangle are symmetric about the xx-axis, and about the yy-axis, so the centroid is the origin.

Remark: the centroid of a region doesn't have to be a point in the region!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 1번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 2.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

아래 각 그림에 대해, 질량중심이 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있는지, 오른쪽에 있는지, 직선 위에 있는지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요. 영역의 음영은 밀도를 나타내며, 더 어두운 음영은 더 밀도가 높은 부분에 해당합니다. (d)에서 오른쪽에 있는 B×AB\times A 직사각형의 오른쪽 변은 x=2ax=2a 위에 있습니다.

그림

그림

그림

그림

그림

영어 원문 보기

For each picture below, determine whether the centre of mass is to the left of, to the right of, or along the line x=ax=a, or whether there is not enough information to tell. The shading of a region indicates density: darker shading corresponds to a denser area. In part (d), the right hand side of the right hand B×AB\times A rectangle has x=2ax=2a.

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정답·풀이 보기

(a) 이 도형을 직선 x=ax=a 에 맞춰 세운 연필 위에 올려놓는다면, 도형이 왼쪽으로 쓰러질 것이 분명해 보인다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있다. (b)도 마찬가지이다. 왼쪽의 밀도가 더 높아서 한쪽으로 더 치우쳐 있기 때문이다. 그러나 (c)에서는 오른쪽이 왼쪽보다 밀도가 높아서 왼쪽을 상쇄할 수 있다. 치수와 밀도에 대해 더 많은 정보가 없으면 질량중심이 직선 x=ax=a 에 대해 어디에 있는지 알 수 없다.

(d) 도형 안의 점 (x,y)(x,y) 중 b≤x≤cb\le x\le c 인 모든 점으로 이루어진 도형의 한 부분과, 직선 x=ax=a 의 반대편에 있는 그 “거울상" 부분을 생각하자. 아래 그림에 빨간색으로 그려진 이 두 부분은 넓이가 같고 x=ax=a 로부터의 거리도 같다. 질량중심의 xx 좌표만 관심이 있으므로, 두 부분의 yy 좌표가 서로 다르다는 것은 문제가 되지 않는다. 질량중심은 직선 x=ax=a 위에 있다.

그림

그림

(e) (d)에서와 같이 직선 x=ax=a 의 왼쪽과 오른쪽의 넓이는 같다. 그러나 오른쪽의 넓이는 더 “늘어져" 있어서 직선 x=ax=a 로부터 더 멀리 떨어진 공간을 차지한다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 오른쪽에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we were to set this figure on a pencil lined up along the vertical line x=ax=a, it seems pretty clear that it would fall to the left. So, the centre of mass is to the left of the line x=ax=a. The same is true in (b): the added density on the left makes it only more lopsided. However, in (c), the right side is denser than the left, which could counterbalance the left. Without knowing more about the dimensions and the density, we can't say where the centre of mass is in relation to the line x=ax=a.

(d) Consider a section of the figure, consisting of all points (x,y)(x,y) in the figure with b≤x≤cb\le x\le c, and its “mirror" section on the other side of the line x=ax=a. These two sections, which are drawn in red in the sketches below, will have the same area, at the same distance from x=ax=a. Since we only care about the xx-coordinate of the centre of mass, it doesn't matter that the two halves are at different yy-coordinates. The centre of mass falls along the line x=ax=a.

figure

figure

(e) There is the same amount of area to the left and right of the line x=ax=a, as in part (d). However, the area to the right is “stretched out" more, so that it occupies space farther away from the line x=ax=a. So, the centre of mass will be to the right of the line x=ax=a.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 8번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

탱크 AA는 반지름이 1미터인 구 모양이고 물이 가득 차 있다. 탱크 AA의 바닥은 지면에서 3미터 위에 있고, 지면에는 탱크 BB가 놓여 있다. 탱크 BB는 밑면의 크기가 2미터 × 1미터인 키가 큰 직육면체 모양이며 비어 있다. 물과 질량이 같은 질점을 AA의 질량 중심 높이에서 물이 BB로 옮겨진 뒤의 물의 질량 중심 높이까지 이동시키는 것으로 상황을 모형화하여, 탱크 AA의 물을 모두 탱크 BB로 빼낼 때 중력이 하는 일을 구하세요.

그림

물의 밀도는 10001000 kg/m3^3, 중력가속도는 g=9.8g=9.8 m/sec2^2 을 사용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Tank AA is spherical, of radius 1 metre, and filled completely with water. The bottom of tank AA is three metres above the ground, where Tank BB sits. Tank BB is tall and rectangular, with base dimensions 2 metres by 1 metre, and empty. Calculate the work done by gravity to drain all the water from Tank AA to Tank BB by modelling the situation as a point mass, of the same mass as the water, being moved from the height of the centre of mass of AA to the height of the centre of mass of the water after it has been moved to BB.

figure

You may use 10001000 kg/m3^3 for the density of water, and g=9.8g=9.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

정답·풀이 보기
  • 탱크 A에 든 물의 부피는 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi 세제곱미터이다.
  • 물의 질량은 40003π\frac{4000}{3}\pi kg이다.
  • 대칭성에 의해 탱크 AA를 가득 채운 물의 질량 중심은 구의 중심에 있으며, 지면으로부터의 높이는 yˉ1=4\bar y_1=4 미터이다(지면에서 3미터 위에 있는 탱크 AA의 바닥보다 1미터 위).
  • 물이 모두 탱크 BB에 있을 때 물의 높이는 23π\frac{2}{3}\pi 미터이다. (탱크 BB의 밑면의 넓이는 2 m2^2 이고 물의 부피는 43π\frac{4}{3}\pi m3^3 이다.) 대칭성에 의해 질량 중심은 정확히 절반 높이에 있으므로 높이는 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 미터이다.
  • 따라서 모형의 질점은 중력에 의해 yˉ1=4\bar y_1=4 에서 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 까지, 즉 4−13π4-\frac{1}{3}\pi 미터만큼 이동한다.
  • 이때의 일은 다음과 같다: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
원본 교재 풀이(영어)
  • The volume of water in Tank A is 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi cubic metres.
  • The mass of water is 40003π\frac{4000}{3}\pi kg.
  • By symmetry, the centre of mass of the water when it fills Tank AA is exactly in the centre of the sphere, at height yˉ1=4\bar y_1=4 metres above the ground (one metre above the bottom of Tank AA, which is three metres above the ground).
  • When the water is entirely in Tank BB, its height is 23π\frac{2}{3}\pi metres. (The base of Tank BB has area 2 m2^2, and the volume of water is 43π\frac{4}{3}\pi m3^3.) By symmetry, the centre of mass is exactly halfway up, at height yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi metres.
  • So, the point mass in our model is moved from yˉ1=4\bar y_1=4 to yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi, a distance of 4−13π4-\frac{1}{3}\pi metres, by gravity.
  • The work involved is: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 5번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)