문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

일

변하는 힘이 한 일(용수철, 물 퍼 올리기, 줄 감기)을 적분으로 구한다

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

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 2.1절 · 20번대학 수준우리말 번역

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.

그림

물 1 m3^3 의 질량은 1000 킬로그램이고, 중력 가속도는 −9.8-9.8 m/sec2^2 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?

figure

You may assume that 1 m3^3 of water has mass 1000 kilograms, the acceleration due to gravity is −9.8-9.8 m/sec2^2, 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 yy 미터 높이에 있으면, 0.15−y0.15-y 미터만큼 끌어올려야 한다. 따라서 그 질량이 mm kg 이면 그 물층에 작용하는 중력은 9.8m9.8m N 이고, 이를 원뿔의 맨 위까지 빨아올리는 데 드는 일은 9.8m(0.15−y)9.8m(0.15-y) J 이다. 그러므로 구해야 할 것은 원뿔의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 물층의 질량이다.

그림

그림

원뿔의 수평 단면은 원이다. 그 반지름을 구하기 위해 닮은 삼각형을 이용하면 ry=0.050.15\frac{r}{y} = \frac{0.05}{0.15} 이므로 r=13yr=\frac{1}{3}y 이다. 따라서 원뿔의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 단면의 넓이는 π(13y)2=π9y2\pi\left(\frac{1}{3}y\right)^2 = \frac{\pi}{9}y^2 m2^2 이다. 이 물층의 높이가 dy\mathrm{d}y 이면 부피는 π9y2 dy\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y m3^3 이고, 질량은 1000π9y2 dy1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y kg 이다.

이제 컵의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 물층을 빨아올리는 데 드는 일은 9.8(0.15−y)(1000π9y2 dy)9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y\right) J 임을 알았다. 따라서 물을 모두 마시는 데 드는 일은 다음과 같다.

W=∫00.159.8(0.15−y)(1000π9y2) dy=9800π9∫00.15(0.15y2−y3) dy=9800π9[0.153y3−14y4]00.15=9800π9[0.05(0.15)3−14(0.15)4]≈0.144 J\begin{aligned} W&=\int_0^{0.15}9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\right)\,\mathrm{d}y \\ &= \frac{9800\pi}{9}\int_0^{0.15}\big(0.15y^2-y^3\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{9800\pi}{9}\left[\frac{0.15}{3}y^3-\frac{1}{4}y^4 \right]_0^{0.15} \\&= \frac{9800\pi}{9}\left[{0.05} (0.15)^3-\frac{1}{4}(0.15)^4 \right]\\ &\approx 0.144\text{ J} \end{aligned}

물을 마시는 데에도 일이 필요하다. 삶은 고단하다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's consider sucking up a flat, horizontal layer of water. If the water is yy metres above bottom of the cone, then it needs to be raised 0.15−y0.15-y metres. So, if its mass is mm kg, then the force of gravity acting on it is 9.8m9.8m N and the work involved in slurping it to the top of the cone is 9.8m(0.15−y)9.8m(0.15-y) J. So, what we need to find is the mass of a layer of water yy metres from the bottom of the cone.

figure

figure

A horizontal cross-section of the cone is a circle. To find its radius, we use similar triangles: ry=0.050.15\frac{r}{y} = \frac{0.05}{0.15}, so r=13yr=\frac{1}{3}y. Therefore, the area of the cross-section of the cone yy metres above its bottom is π(13y)2=π9y2\pi\left(\frac{1}{3}y\right)^2 = \frac{\pi}{9}y^2 m2^2. If this layer has height dy\mathrm{d}y, then its volume is π9y2 dy\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y m3^3, and its mass is 1000π9y2 dy1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y kg.

Now, we know that the work to suck up the layer of water yy metres from the bottom of the cup is 9.8(0.15−y)(1000π9y2 dy)9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y\right) J. So, the work involved in drinking all the water is:

W=∫00.159.8(0.15−y)(1000π9y2) dy=9800π9∫00.15(0.15y2−y3) dy=9800π9[0.153y3−14y4]00.15=9800π9[0.05(0.15)3−14(0.15)4]≈0.144 J\begin{aligned} W&=\int_0^{0.15}9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\right)\,\mathrm{d}y \\ &= \frac{9800\pi}{9}\int_0^{0.15}\big(0.15y^2-y^3\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{9800\pi}{9}\left[\frac{0.15}{3}y^3-\frac{1}{4}y^4 \right]_0^{0.15} \\&= \frac{9800\pi}{9}\left[{0.05} (0.15)^3-\frac{1}{4}(0.15)^4 \right]\\ &\approx 0.144\text{ J} \end{aligned}

Even drinking water takes work. Life is hard.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 24번
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 2.1절 · 23번대학 수준우리말 번역

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 m3^3의 물이 들어 있다.

그림

그림

플런저의 아주 작은 조각에 작용하는 물의 힘은 PAPA 이다. 여기서 PP 는 물의 압력이고, dA\mathrm{d}A 는 그 작은 조각의 넓이이다. 압력은 (수면 아래) 조각의 깊이에 따라 달라진다. 구체적으로 P=cDP=cD 이며, 여기서 DD 는 그 작은 조각의 깊이이고 cc 는 상수로, 이 경우 c=9800c=9800 N/m3^3 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 xx 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 m3^3 of water.

figure

figure

The force of the water acting on any tiny piece of the plunger is PAPA, where PP is the pressure of the water, and dA\mathrm{d}A is the area of the tiny piece. The pressure varies with the depth of the piece (below the surface of the water). Specifically, P=cDP=cD, where DD is the depth of the tiny piece and cc is a constant, in this case c=9800c=9800 N/m3^3.

(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 xx 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 yy 에 있는 플런저의 얇은 직사각형 조각을 생각하자. 이 조각의 높이는 dy\mathrm{d}y 이고 너비는 1 m (플런저 전체의 너비)이다. 이 직사각형의 넓이를 dA\mathrm{d}A 라 하자.

그림

이 직사각형의 넓이는 1dy1\mathrm{d}y m2^2 이므로, 이 조각에 작용하는 물의 힘은 F=P⋅dA=(9800 Nm3)⏟c(y m)⏟d(dy m2)⏟dA=9800y dyF=P\cdot\mathrm{d}A = \underbrace{\left(9800~\tfrac{\text{N}}{\text{m}^3}\right)}_c\underbrace{\left(y\text{ m}\right)}_d \underbrace{\left(\mathrm{d}y \text{ m}^2\right)}_{\mathrm{d}A} = 9800y\,\mathrm{d}y N 이다.

플런저 윗부분의 깊이는 y=0y=0 이다. 플런저 아랫부분의 깊이를 구하기 위해, 물의 부피가 3 m3^3 이고 밑면이 1 m × 3 m인 직육면체 용기에 담겨 있음에 주목하자. 따라서 물의 높이는 1 m 이다.

깊이 y=0y=0 부터 y=1y=1 까지 플런저 전체에 작용하는 힘은 다음과 같다. ∫019800y dy=[4900y2]01=4900 N\int_0^1 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^1 = 4900 \text{ N} (b) (a)의 풀이를 따라 하되, 밑면의 길이를 xx m 로 놓자.

여전히 플런저의 얇은 직사각형 조각의 너비는 1 m 이고 높이는 dy\mathrm{d}y m 이므로, 넓이는 dy\mathrm{d}y m2^2 이다. 깊이 yy 에서 이 조각이 물로부터 받는 힘은 9800y dy9800y\,\mathrm{d}y N 이다. 이것은 (a)와 달라지지 않았다.

이제 물의 깊이를 생각해 보자. 물의 부피는 3 m3^3 이고, 밑면이 1 m × xx m 인 직육면체 용기에 담겨 있다. 따라서 물의 깊이는 3/x3/x m 이다. 그러므로 플런저 전체에 작용하는 힘은 y=0y=0 부터 y=3/xy=3/x 까지 계산해야 한다. F(x)=∫03/x9800y dy=[4900y2]03/x=9x24900=44100x2 NF(x)=\int_0^{3/x} 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^{3/x} = \frac{9}{x^2}4900 = \frac{44100}{x^2}\text{ N}

이 답이 타당한지 확인해 보자. F(3)=4900F(3)=4900 N 이므로 (a)의 답과 일치한다. (c) 밑면의 길이가 xx 미터일 때 플런저에 작용하는 물의 힘이 F(x)F(x) 라면, 우리는 −F(x)-F(x) 의 힘으로 플런저를 밀게 된다. 그러면 우리가 구하려는 일은 다음과 같다.

W=∫31−F(x) dx=∫13F(x) dx F(x) 는 (b)에서 구한 것과 정확히 같다: F(x)=44100x2 N.W=∫13F(x) dx=∫1344100x2 dx=44100[−1x]13=44100⋅23=29 400 J\begin{aligned} W &= \int_3^1 -F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x \\ \text{ $F(x)$ 는 (b)에서 구한 것과 정확히 같다: $F(x) = \frac{44100}{x^2}\text{ N}$.} \\ W&= \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 \frac{44100}{x^2}\,\mathrm{d}x = 44100\left[-\frac{1}{x}\right]_1^3 = 44100\cdot \frac{2}{3} = 29\,400\text{ J} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The force of the depends on depth, which varies. So, consider a thin rectangle of the plunger at depth yy, with height dy\mathrm{d}y and width 1 m (the width of the entire plunger). Let the area of this rectangle be dA\mathrm{d}A.

figure

The area of this rectangle is 1dy1\mathrm{d}y m2^2, so the force of the water acting on it is F=P⋅dA=(9800 Nm3)⏟c(y m)⏟d(dy m2)⏟dA=9800y dyF=P\cdot\mathrm{d}A = \underbrace{\left(9800~\tfrac{\text{N}}{\text{m}^3}\right)}_c\underbrace{\left(y\text{ m}\right)}_d \underbrace{\left(\mathrm{d}y \text{ m}^2\right)}_{\mathrm{d}A} = 9800y\,\mathrm{d}y N.

The depth at the top of the plunger is y=0y=0. To find the depth at the bottom of the plunger, note that the water has a volume of 3 m3^3, 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=0y=0 to y=1y=1, is ∫019800y dy=[4900y2]01=4900 N\int_0^1 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^1 = 4900 \text{ N} (b) Let's follow our work from part (a), but with the width of the length of the base as xx m.

Still, a thin rectangle of plunger has width 1 m and height dy\mathrm{d}y m, so it has area dy\mathrm{d}y m2^2. At depth yy, it has a force from the water of 9800y dy9800y\,\mathrm{d}y N. This hasn't changed from (a).

Now, let's consider the depth of the water. The volume of water is 3 m3^3, and it is in a rectangular container with base 1 m by xx m. So, its depth is 3/x3/x m. Therefore, the force on the entire plunger must be calculated from y=0y=0 to y=3/xy=3/x. F(x)=∫03/x9800y dy=[4900y2]03/x=9x24900=44100x2 NF(x)=\int_0^{3/x} 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^{3/x} = \frac{9}{x^2}4900 = \frac{44100}{x^2}\text{ N}

Let's check that this answer makes sense: F(3)=4900F(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 xx metres, is given by F(x)F(x), then we push the plunger with a force of −F(x)-F(x). Then the work we're looking for is

W=∫31−F(x) dx=∫13F(x) dx F(x) is exactly what we found in (b): F(x)=44100x2 N.W=∫13F(x) dx=∫1344100x2 dx=44100[−1x]13=44100⋅23=29 400 J\begin{aligned} W &= \int_3^1 -F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x \\ \text{ $F(x)$ is exactly what we found in (b): $F(x) = \frac{44100}{x^2}\text{ N}$.} \\ W&= \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 \frac{44100}{x^2}\,\mathrm{d}x = 44100\left[-\frac{1}{x}\right]_1^3 = 44100\cdot \frac{2}{3} = 29\,400\text{ J} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 20번
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 2.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

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 9.89.8 m/sec2^2을 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 9.89.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

먼저 끌어올린 시간을 끌어올린 길이로 바꾸어 보자. 밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 2y2y 초가 지났으므로 양동이에서 15y\frac{1}{5}y 리터의 물이 새어 나갔고, 5−15y5-\frac{1}{5}y 리터가 남는다. (이는 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5 일 때만 의미가 있지만, 여기서는 yy 가 0에서 5까지인 경우만 생각하므로 문제가 되지 않는다. 즉, 더 이상 샐 물이 없는 빈 양동이를 끌어올리는 경우는 없다.)

밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 양동이 속 물의 질량은 (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg이므로, 물에 작용하는 중력은 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N이다. 밧줄을 5미터 끌어올리므로 한 일의 양은 다음과 같다. W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

원본 교재 풀이(영어)

Let's start by converting from time spent pulling to amount pulled. When yy metres of rope have been pulled up, 2y2y seconds have passed, so 15y\frac{1}{5}y litres of water have leaked out of the bucket, leaving 5−15y5-\frac{1}{5}y litres. (This only makes sense when 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5, but we only consider values of yy 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 yy metres of rope, the mass in the bucket is (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg, so the force of gravity acting on it is 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N. Since we pull up 5 metres of rope, the work done is: W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 25번
# 일활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 2.1절 · 25번대학 수준우리말 번역

질량이 각각 m1m_1, m2m_2 인 두 물체 사이의 중력은 F=Gm1m2r2F = G\dfrac{m_1m_2}{r^2} 이다. 여기서 rr 은 두 물체 사이의 거리이고 GG 는 중력 상수이다.

지구와 달 사이의 중력이 무시할 수 있을 만큼 충분히 멀리 두 천체를 떼어 놓는 데 필요한 일은 얼마인지 구하세요.

지구의 질량은 6×10246 \times 10^{24} kg 이고 달의 질량은 7×10227 \times 10^{22} kg 이며, 현재 두 천체는 서로 400 000400\,000 km 떨어져 있다고 가정하세요. 또한 G=6.7×10−11 m3kg⋅sec2G = 6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2} 이고, 지구와 달에 작용하는 힘은 둘 사이의 중력뿐이라고 가정하세요.

영어 원문 보기

The force of gravity between two objects, one of mass m1m_1 and another of mass m2m_2, is F=Gm1m2r2F = G\dfrac{m_1m_2}{r^2}, where rr is the distance between them and GG 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 6×10246 \times 10^{24} kg and the mass of the moon is 7×10227 \times 10^{22} kg, and that they are currently 400 000400\,000 km away from each other. Also, assume G=6.7×10−11 m3kg⋅sec2G = 6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}, 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\displaystyle\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r, 여기서 a=400 000 000a = 400\,000\,000 m 이다.

m1m_1 과 m2m_2 를 문제에서 주어진 지구와 달의 질량이라 하면 다음과 같다.

Gm1m2=(6.7×10−11 m3kg⋅sec2)(6×1024 kg)(7×1022 kg)≈2.8×1037 kg⋅m3sec2\begin{aligned}Gm_1m_2 &= \left(6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}\right) \left(6 \times 10^{24}\text{ kg}\right)\left(7 \times 10^{22}\text{ kg}\right)\\ &\approx 2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2} \end{aligned}

이제 일을 계산하자.

W=∫a∞F(r) dr=lim⁡b→∞∫abGm1m2r2 dr=(Gm1m2)lim⁡b→∞[−1r]ab=(Gm1m2)lim⁡b→∞(1a−1b)=Gm1m2a≈2.8×1037 kg⋅m3sec24×108 m=7×1028 J\begin{aligned} W&=\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r =\lim_{b \to \infty} \int_a^b G\dfrac{m_1m_2}{r^2}\,\mathrm{d}r \\&= (Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty}\left[-\frac{1}{r}\right]_a^b \\ &=(Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty} \left(\frac{1}{a}-\frac{1}{b}\right)\\&= \frac{Gm_1m_2}{a}\\ &\approx\frac{2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2}}{4\times 10^8 \text{ m}}\\ &=7 \times 10^{28} \text{ J} \end{aligned}

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 7×10287\times 10^{28} 줄보다 작다. 아주 아주 먼(그러나 유한한) 거리만큼 떼어 놓으면, 한 일은 7×10287\times 10^{28} 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\displaystyle\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r, where a=400 000 000a = 400\,000\,000 m.

If we take m1m_1 and m2m_2 to be the mass of the earth and moon as given in the question statement, then:

Gm1m2=(6.7×10−11 m3kg⋅sec2)(6×1024 kg)(7×1022 kg)≈2.8×1037 kg⋅m3sec2\begin{aligned}Gm_1m_2 &= \left(6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}\right) \left(6 \times 10^{24}\text{ kg}\right)\left(7 \times 10^{22}\text{ kg}\right)\\ &\approx 2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2} \end{aligned}

With that out of the way, let's calculate our work.

W=∫a∞F(r) dr=lim⁡b→∞∫abGm1m2r2 dr=(Gm1m2)lim⁡b→∞[−1r]ab=(Gm1m2)lim⁡b→∞(1a−1b)=Gm1m2a≈2.8×1037 kg⋅m3sec24×108 m=7×1028 J\begin{aligned} W&=\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r =\lim_{b \to \infty} \int_a^b G\dfrac{m_1m_2}{r^2}\,\mathrm{d}r \\&= (Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty}\left[-\frac{1}{r}\right]_a^b \\ &=(Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty} \left(\frac{1}{a}-\frac{1}{b}\right)\\&= \frac{Gm_1m_2}{a}\\ &\approx\frac{2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2}}{4\times 10^8 \text{ m}}\\ &=7 \times 10^{28} \text{ J} \end{aligned}

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 7×10287\times 10^{28} 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) 7×10287\times 10^{28} joules.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.5절 · 28번
# 일계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 2.1절 · 28번대학 수준우리말 번역

모래시계의 높이는 0.2 m이고, 수직 중심에서 위쪽이나 아래쪽으로 yy 미터 떨어진 곳의 반지름이 y2+0.01y^2+0.01 m가 되는 모양이다.

이 모래시계에는 모래가 정확히 절반만큼 차 있으며, 모래의 질량은 M=17M=\frac{1}{7} 킬로그램이다.

모래시계를 재빨리 뒤집을 때 모래에 해 준 일은 얼마인지 구하세요.

그림

그림

한 일은 중력을 거슬러 움직이는 데 든 것뿐이라고 가정하고, g=9.8g=9.8 m/sec2^2 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 yy metres above or below its vertical centre it has a radius of y2+0.01y^2+0.01 m.

It is exactly half-full of sand, which has mass M=17M=\frac{1}{7} kilograms.

How much work is done on the sand by quickly flipping the hourglass over?

figure

figure

Assume that the work done is only moving against gravity, with g=9.8g=9.8 m/sec2^2, 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 yy 미터 아래에 있는 얇고 수평인 모래층을 생각하자.

  • 이 층의 나중 위치는 모래시계의 중심에서 yy 미터 위이다. 즉, 중력을 거슬러 2y2y 미터만큼 들어 올려졌다.
  • 이 층은 반지름이 y2+0.01y^2+0.01 이고 높이가 dy\mathrm{d}y 인 원기둥 모양이므로, 부피는 π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 세제곱미터이다.
  • 이 층의 질량을 구하려면 모래의 밀도를 알아야 한다. 모래시계 안 모래의 부피를 VV 라 하자. 질량 MM 은 주어져 있다. 그러면 π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 세제곱미터의 질량은 MVπ(y2+0.01)2 dy\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 킬로그램이다.
  • 따라서 이 층에 작용하는 중력은 9.8MVπ(y2+0.01)2 dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y N이며, 수직 아래 방향으로 작용한다.
  • 이 층을 나중 위치로 들어 올리려면 2y2y 미터의 거리에 걸쳐 중력을 상쇄하는 힘을 가해야 하므로, 한 일의 총량은 9.8MVπ(y2+0.01)22y dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y J이다.
  • 모래시계의 높이가 0.20.2 m이고 정확히 절반이 모래로 차 있으므로, 맨 위 모래층은 모래시계의 수직 중심에 정확히 놓이고, 맨 아래 모래층은 그 아래 0.1 미터에 있다.

VV 는 모래시계 안 모래의 부피이고 MM 은 그 질량이므로(M=17M =\frac{1}{7} kg 이 주어져 있다), 모래 전체를 뒤집는 데 한 일의 총량은 다음과 같다.

W=∫00.19.8MVπ(y2+0.01)22y dy=19.6MπV∫00.1(y5+0.02y3+0.0001y) dy=19.6MπV∫01/10(y5+2102y3+1104y) dy=19.6MπV[16y6+12⋅102y4+12⋅104y2]01/10=19.6MπV[(16⋅106+12⋅106+12⋅106)−0]=19.6MπV[76⋅106](∗)\begin{aligned} W &= \int_0^{0.1} 9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{0.1}\big(y^5+0.02y^3+0.0001y\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{1/10}\left(y^5+\frac{2}{10^2}y^3+\frac{1}{10^4}y\right)\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{1}{6}y^6+\frac{1}{2\cdot10^2}y^4+\frac{1}{2\cdot 10^4}y^2\right]_0^{1/10}\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\left(\frac{1}{6\cdot 10^6}+\frac{1}{2\cdot10^6}+\frac{1}{2\cdot 10^6}\right) - 0\right]\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6}\right]\tag{$*$} \end{aligned}

이제 모래시계 안 모래의 부피 VV 를 구해야 한다. 모래는 회전체 모양이다. 1.6절에서 이러한 입체의 부피는 얇은 원판으로 잘라서 구할 수 있음을 배웠다.

그림

위 그림에서는 우리가 입체를 설명해 온 방식에 맞게 축을 잡았다. 00 은 모래시계의 수직 중심이며 모래의 윗면이 있는 곳이고, 모래의 바닥은 0에서 0.10.1 미터 떨어져 있다.

이 입체의 부피를 구하기 위해 수평인 원판으로 자른다. 모래시계의 중심에서 xx 미터 떨어진 원판은 반지름이 x2+0.01x^2+0.01 이고 두께가 dx\mathrm{d}x 이므로 부피는 π(x2+0.01)2 dx\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x 이다. 입체 전체의 부피, 즉 모래의 부피는 다음과 같다.

V=∫00.1π(x2+0.01)2 dx=π∫00.1(x4+0.02x2+0.0001) dx=π[15x5+23×102x3+1104x]00.1=π[(15×105+23×105+1105)−0]=28π15×105=28π1.5×106\begin{aligned}V &= \int_0^{0.1}\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x = \pi\int_0^{0.1}(x^4+0.02x^2+0.0001)\,\mathrm{d}x\\ &= \pi\left[\frac{1}{5}x^5+\frac{2}{ 3\times10^2}x^3+\frac{1}{10^4}x\right]_0^{0.1} \\&= \pi\left[\left(\frac{1}{5\times 10^5}+\frac{2}{3\times 10^5}+\frac{1}{10^5}\right)-0\right] \\&= \frac{28\pi}{15\times 10^5}= \frac{28\pi}{1.5\times 10^6} \end{aligned}

따라서 모래시계 안 모래의 부피는 V=28π1.5×106V=\frac{28\pi}{1.5\times 10^6} 세제곱미터이다.

(∗*)를 이용하면 모래시계를 재빨리 뒤집는 데 한 일의 총량을 구할 수 있다.

W=19.6MπV[76⋅106]=19.6×17π28π1.5×106[76⋅106]=19.6×1.528×6=29.4168=740=0.175 J\begin{aligned} W&=\frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right]\\ &=\frac{19.6 \times \frac{1}{7} \pi}{\frac{28\pi}{1.5\times 10^6}}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right] \\&=\frac{19.6 \times 1.5 }{28 \times 6} = \frac{29.4}{168} =\frac{7}{40}= 0.175 \text{ J} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

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, yy metres below the vertical centre of the hourglass.

  • Its final position is yy metres above the centre of the hourglass. That is, it was lifted 2y2y metres against the force of gravity.
  • The layer is shaped like a circle with radius y2+0.01y^2+0.01 and height dy\mathrm{d}y, so its volume is π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 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 VV. We are given its mass MM. Then π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y cubic metres has a mass of MVπ(y2+0.01)2 dy\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y kilograms.
  • So, the force of gravity acting on the layer is 9.8MVπ(y2+0.01)2 dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y N, acting vertically downwards.
  • To lift the layer to its final position, we apply a compensating force over a distance of 2y2y metres, for a total work of 9.8MVπ(y2+0.01)22y dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y J.
  • Since the hourglass has height 0.20.2 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 VV is the volume of sand in the hourglass, and MM is its mass (we're given M=17M =\frac{1}{7} kg) then the total work flipping all the sand is:

W=∫00.19.8MVπ(y2+0.01)22y dy=19.6MπV∫00.1(y5+0.02y3+0.0001y) dy=19.6MπV∫01/10(y5+2102y3+1104y) dy=19.6MπV[16y6+12⋅102y4+12⋅104y2]01/10=19.6MπV[(16⋅106+12⋅106+12⋅106)−0]=19.6MπV[76⋅106](∗)\begin{aligned} W &= \int_0^{0.1} 9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{0.1}\big(y^5+0.02y^3+0.0001y\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{1/10}\left(y^5+\frac{2}{10^2}y^3+\frac{1}{10^4}y\right)\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{1}{6}y^6+\frac{1}{2\cdot10^2}y^4+\frac{1}{2\cdot 10^4}y^2\right]_0^{1/10}\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\left(\frac{1}{6\cdot 10^6}+\frac{1}{2\cdot10^6}+\frac{1}{2\cdot 10^6}\right) - 0\right]\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6}\right]\tag{$*$} \end{aligned}

It remains to find VV: 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.

figure

In the picture above, we've used an axis that matches the way we've been describing our solid: 00 is the vertical centre of the hourglass, which is where the top of the sand is, and the bottom of the sand is 0.10.1 metres from 0.

To find the volume of this solid, we slice it into horizontal disks. The disk that is xx metres from the centre of the hourglass has radius x2+0.01x^2+0.01 and thickness dx\mathrm{d}x, so it has volume π(x2+0.01)2 dx\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x. The volume of the entire solid, i.e. the volume of the sand, is:

V=∫00.1π(x2+0.01)2 dx=π∫00.1(x4+0.02x2+0.0001) dx=π[15x5+23×102x3+1104x]00.1=π[(15×105+23×105+1105)−0]=28π15×105=28π1.5×106\begin{aligned}V &= \int_0^{0.1}\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x = \pi\int_0^{0.1}(x^4+0.02x^2+0.0001)\,\mathrm{d}x\\ &= \pi\left[\frac{1}{5}x^5+\frac{2}{ 3\times10^2}x^3+\frac{1}{10^4}x\right]_0^{0.1} \\&= \pi\left[\left(\frac{1}{5\times 10^5}+\frac{2}{3\times 10^5}+\frac{1}{10^5}\right)-0\right] \\&= \frac{28\pi}{15\times 10^5}= \frac{28\pi}{1.5\times 10^6} \end{aligned}

So, the volume of sand in the hourglass is V=28π1.5×106V=\frac{28\pi}{1.5\times 10^6} cubic metres.

Using (∗*), we can find the total work done quickly flipping the hourglass.

W=19.6MπV[76⋅106]=19.6×17π28π1.5×106[76⋅106]=19.6×1.528×6=29.4168=740=0.175 J\begin{aligned} W&=\frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right]\\ &=\frac{19.6 \times \frac{1}{7} \pi}{\frac{28\pi}{1.5\times 10^6}}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right] \\&=\frac{19.6 \times 1.5 }{28 \times 6} = \frac{29.4}{168} =\frac{7}{40}= 0.175 \text{ J} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 23번
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