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.

44문제 · 3 / 3쪽

41.APEX · 7.5절 · 19번대학 수준우리말 번역

20 lb의 추가 용수철에 매달려 있다. 추가 용수철 위에 놓여 있어서, 용수철이 자연 길이 1 ft에서 6 in로 압축되어 있다.

상자를 6 in 들어 올리는 데(즉, 용수철을 자연 길이로 되돌리는 데) 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A 20 lb weight is attached to a spring. The weight rests on the spring, compressing the spring from a natural length of 1 ft to 6 in.

How much work is done in lifting the box 6 in (i.e, bringing the spring back to its natural length)?

정답·풀이 보기
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.CLP-2 · 2.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

중력에 대항하여 3그램 질량의 블록을 10 센티미터 높이만큼 들어 올리는 데 필요한 일(줄 단위)을 구하세요 (g=9.8g=9.8 m/sec2^2 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=9.8g=9.8 m/sec2^2).

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

힘은 질량 ×\times 가속도이고(이 문제에서 가속도는 gg와 같다), 이 상황에서는 둘 다 상수이므로 블록에 작용하는 힘을 계산하는 데 적분은 필요 없고 곱셈만 하면 된다.

힘을 뉴턴 단위로 구하기 위해, 1뉴턴이 kg⋅msec2\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} 임을 떠올리면 블록의 질량이 kg 단위로 필요하다. 블록의 질량은 31000\frac{3}{1000} kg 이다. 따라서 작용하는 힘은 F=(31000 kg)×(9.8 msec2)=0.0294 kg⋅msec2=0.0294 NF=\left(\frac{3}{1000}\text{ kg}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = 0.0294~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = 0.0294~\text{N}

일을 줄 단위로 구하기 위해, 1줄은 1뉴턴미터, 즉 1뉴턴의 힘이 1미터에 걸쳐 작용한 일임을 떠올리자. 따라서 거리를 미터 단위로 나타내야 한다. W=(0.0294 N)×(110 m)=0.00294 N⋅m=0.00294 JW = \big( 0.0294~\text{N}\big)\times\left(\frac{1}{10}~\text{m}\right) = 0.00294~\text{N}\cdot\text{m} = 0.00294~\text{J}

원본 교재 풀이(영어)

Force is mass ×\times acceleration (with acceleration equal to gg 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 kg⋅msec2\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}, so we need the mass of our block in kg. Specifically, our block has mass 31000\frac{3}{1000} kg. So, the force involved is F=(31000 kg)×(9.8 msec2)=0.0294 kg⋅msec2=0.0294 NF=\left(\frac{3}{1000}\text{ kg}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = 0.0294~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = 0.0294~\text{N}

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=(0.0294 N)×(110 m)=0.00294 N⋅m=0.00294 JW = \big( 0.0294~\text{N}\big)\times\left(\frac{1}{10}~\text{m}\right) = 0.00294~\text{N}\cdot\text{m} = 0.00294~\text{J}

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

바위가 중력 때문에 놓여 있는 땅에 1 N의 힘을 가한다. g=9.8g=9.8 m/sec2^2 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=9.8g=9.8 m/sec2^2.

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 1 kg⋅msec2=(x kg)(9.8 msec2)1~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = (x~\text{kg})\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) 따라서 바위의 질량은 19.8\frac{1}{9.8} 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 1 kg⋅msec2=(x kg)(9.8 msec2)1~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = (x~\text{kg})\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) Therefore, the mass of the rock is 19.8\frac{1}{9.8} 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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 3번
# 일계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
44.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)