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.

69문제 · 4 / 4쪽

61.CLP-2 · 2.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요. W=∫abF(x) dxW = \int_a^b F(x)\,\mathrm{d}x 여기서 xx 는 미터(m) 단위로 측정하고, F(x)F(x) 는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정합니다.

충분히 큰 어떤 nn 에 대해 다음과 같이 어림할 수 있습니다. W≈∑i=1nF(xi)ΔxW \approx \sum_{i=1}^n F(x_i)\Delta x 여기서 Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} 이고 xix_i 는 구간 [a+(i−1)Δx,a+iΔx][a+(i-1)\Delta x, a+i\Delta x] 안의 어떤 수입니다. (이것은 리만 합의 일반적인 꼴일 뿐입니다.)

(a) Δx\Delta x 의 단위는 무엇인지 구하세요. (b) F(xi)F(x_i) 의 단위는 무엇인지 구하세요. (c) 위의 답을 이용하여 WW 의 단위는 무엇인지 구하세요.

참고: 본문에서 이미 WW 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) dxW = \int_a^b F(x)\,\mathrm{d}x where xx is measured in metres and F(x)F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons).

For some large nn, we might approximate W≈∑i=1nF(xi)ΔxW \approx \sum_{i=1}^n F(x_i)\Delta x where Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} and xix_i is some number in the interval [a+(i−1)Δx,a+iΔx][a+(i-1)\Delta x, a+i\Delta x]. (This is just the general form of a Riemann sum).

(a) What are the units of Δx\Delta x? (b) What are the units of F(xi)F(x_i)? (c) Using your answers above, what are the units of WW?

Remark: we already know the units of WW from the text, but the Riemann sum illustrates why they make sense arising from this particular integral.

정답·풀이 보기

(a) Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} 으로 정의하였다. 즉, [a,b][a,b] 를 nn 개로 나눌 때 한 구간의 길이이다. bb 와 aa 를 미터로 측정하면 Δx\Delta x 도 미터로 측정된다. 따라서 Δx\Delta x 의 단위는 미터이다.

다르게 말하면, aa 와 bb 가 모두 미터 단위의 양을 나타내므로 b−ab-a 도 미터 단위의 양을 나타낸다. (단위가 같은 양끼리 더하거나 빼면 그 합이나 차도 같은 단위로 주어진다.) nn 은 단위가 없는 양(단순한 수이며 “nn kg” 이나 “nn m” 이 아님)이므로 b−an\frac{b-a}{n} 도 여전히 미터 단위의 양을 나타낸다. (6 미터의 천을 3 조각으로 자르면 각 조각은 63=2\frac{6}{3}=2 미터이다. 2 킬로그램이나 매 초 2 미터가 아니다.) (b) F(x)F(x) 를 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정하므로 F(xi)F(x_i) 의 단위는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴)이다. (c) WW 는 F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 꼴의 항들을 더하여 구한다. F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 의 단위는 F(xi)F(x_i) 의 단위와 Δx\Delta x 의 단위의 곱이다. 즉, F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 의 단위는 (kg⋅msec2)(m)=kg⋅m2sec2=J\left(\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\right)\left(\text{m}\right) = \frac{\text{kg}\cdot\text{m}^2}{\text{sec}^2} = J 이다. 줄 단위로 주어진 항들의 합은 그 자체로 줄 단위이므로 WW 의 단위는 줄이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We defined Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n}: that is, the length of one interval, when we chop [a,b][a,b] into nn of them. If bb and aa are measured in metres, then Δx\Delta x is measured in metres as well. So, the units of Δx\Delta x are metres.

Put another way, since aa and bb both describe a quantity in metres, b−ab-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 nn is a unitless quantity (simply a number: not “nn kg" or “nn m"), b−an\frac{b-a}{n} still describes a quantity in metres. (If I have 6 metres of cloth, and I cut it into 3 pieces, each piece has 63=2\frac{6}{3}=2 metres–not 2 kilograms, or 2 metres per second.) (b) Since F(x)F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons), the units of F(xi)F(x_i) are kilogram-metres per second squared (newtons). (c) WW is calculated by adding up summands of the form F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x. The units of F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x are the products of the units of F(xi)F(x_i) with the units of Δx\Delta x. That is, the units of F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x are (kg⋅msec2)(m)=kg⋅m2sec2=J\left(\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\right)\left(\text{m}\right) = \frac{\text{kg}\cdot\text{m}^2}{\text{sec}^2} = J. The sum of terms given in joules is itself given in joules, so the units of WW are joules.

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

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.

그림

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?

figure

You may assume that the spring obeys Hooke's law.

정답·풀이 보기

훅의 법칙에 따르면 용수철을 원래 길이에서 xx 단위만큼 늘이는 데 필요한 힘은 xx 에 비례한다. 즉, 각 용수철마다 정해지는 어떤 상수 kk 가 있어서, 용수철을 원래 길이에서 xx m 만큼 늘이는 데 필요한 힘은 kxkx 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 kk 를 구할 수 있다. 물주머니가 가한 힘은 (1 kg)(9.8 m/sec2)=9.8(1\text{ kg})(9.8\text{ m/sec}^2) = 9.8 N=k(1 cm)=k(1 \text{ cm}) 이다. 따라서 k=9.8 kg⋅msec20.01 m=980kgsec2k = \frac{9.8~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}}{0.01\text{ m}} = 980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}

용수철에 10 kg을 매달면 중력이 (10 kg)(9.8 m/sec2)=98 kg⋅msec2(10 \text{ kg})(9.8 \text{ m/sec}^2) = 98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} 의 힘을 가한다. 이 힘은 용수철이 kxkx 뉴턴의 힘으로 맞서 균형을 이룬다. 여기서 kk 는 용수철 상수이고 xx 는 늘어난 길이이다.

kx=98 kg⋅msec2(980kgsec2)(x m)=98 kg⋅msec2x=110 m=10 cm\begin{aligned} kx&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ \left(980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}\right)\left(x\text{ m}\right)&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ x&=\frac{1}{10}\text{ m} = 10\text{ cm} \end{aligned}

따라서 용수철의 원래 길이에서 10 cm 아래에 표시를 해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Hooke's law says that the force required to stretch a spring xx units past its natural length is proportional to xx; that is, there is some constant kk associated with the individual spring such that the force required to stretch it xx m past its natural length is kxkx.

  • 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 kk 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(1\text{ kg})(9.8\text{ m/sec}^2) = 9.8 N=k(1 cm)=k(1 \text{ cm}). So, k=9.8 kg⋅msec20.01 m=980kgsec2k = \frac{9.8~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}}{0.01\text{ m}} = 980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}

If we hang 10 kg from the spring, gravity exerts a force of (10 kg)(9.8 m/sec2)=98 kg⋅msec2(10 \text{ kg})(9.8 \text{ m/sec}^2) = 98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}. This will be matched by the spring with a force of kxkx newtons, where kk is the spring constant and xx is the amount stretched.

kx=98 kg⋅msec2(980kgsec2)(x m)=98 kg⋅msec2x=110 m=10 cm\begin{aligned} kx&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ \left(980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}\right)\left(x\text{ m}\right)&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ x&=\frac{1}{10}\text{ m} = 10\text{ cm} \end{aligned}

So, we should put the mark at 10 cm below the natural length of the spring.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 21번
# 일그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
63.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)
64.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

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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)
65.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)
66.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)
67.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
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
68.Active Calculus · 6.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

곡선 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 과 그 그래프 중 제1사분면에서 yy축과 f(x)=0f(x) = 0 을 만족하는 첫 번째 양의 xx 의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. RR 을 ff 의 이 부분, xx축, yy축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요. xx 와 yy 는 각각 피트 단위로 잰다고 가정하세요.

(a) 좌표축을 시계 방향으로 9090도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만들고, 이 회전체를 저장 탱크로 생각하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하세요. 물을 탱크 꼭대기까지 퍼 올려서 탱크 안의 물의 깊이가 0.50.5 피트가 될 때까지 물을 낮추는 데 필요한 일의 양을 구하세요. (b) 다시 좌표축을 시계 방향으로 90도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 과 RR 을 xx축에 대해 대칭이동한 도형이 함께 길이가 10 피트인 저장 탱크의 한쪽 끝면을 이룬다고 하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 물을 hh 피트만큼 낮추는 데 필요한 일의 양을 나타내는 함수의 식을 구하세요. (c) (b)의 탱크에 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 탱크의 한쪽 끝면에 물이 가하는 수압에 의한 전체 힘을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) and the portion of its graph that lies in the first quadrant between the yy-axis and the first positive value of xx for which f(x)=0f(x) = 0. Let RR denote the region bounded by this portion of ff, the xx-axis, and the yy-axis. Assume that xx and yy are each measured in feet.

(a) Picture the coordinate axes rotated 9090 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR is rotated about the xx axis to form a solid of revolution, and we consider this solid as a storage tank. Suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find the amount of work required to lower the water in the tank until it is 0.50.5 feet deep, by pumping the water to the top of the tank. (b) Again picture the coordinate axes rotated 90 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR, together with its reflection across the xx-axis, forms one end of a storage tank that is 10 feet long. Suppose that the resulting tank is filled completely with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find a formula for a function that tells the amount of work required to lower the water by hh feet. (c) Suppose that the tank described in (b) is completely filled with water. Find the total force due to hydrostatic pressure exerted by the water on one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 주어진 탱크의 그림을 그린다. 아래는 양의 xx축이 아래를 향하도록 한 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) 의 그래프이다. 이 함수는 약 1.845271.84527 에서 처음으로 xx축과 만난다. 제1사분면에 있는 곡선을 양의 xx축에 대해 대칭이동하여 회전체를 만든다. xx축에 수직인 단면은 두께가 △x\triangle x 인 원판이다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 회전되어 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 제1사분면에서 함수 f(x) 이제 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하자. 탱크의 바닥이 1.845271.84527 에 있으므로, 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다는 것은 x=0.34527x = 0.34527 부터 x=1.84527x = 1.84527 까지 물이 있다는 뜻이다. 탱크에 0.50.5 피트가 남을 때까지(즉 x=1.34527x = 1.34527 인 높이까지) 물을 퍼 올리는 데 필요한 일을 구하려면, 먼저 대표적인 조각의 무게를 구해야 하고, 이를 위해서는 그 조각의 부피를 알아야 한다. 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{조각}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 일의 양을 구하기 위해, x=0.34527x = 0.34527 (탱크가 처음에 1.845271.84527 피트까지 가득 차 있을 때 물의 윗면)부터 x=1.34527x = 1.34527 (11 피트를 비운 뒤 물의 높이)까지 각 조각에 한 일을 정적분으로 더한다. 따라서 W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. 이 적분의 값을 구하면 W≈1353.55W \approx 1353.55 피트파운드이다. (b) 탱크를 회전체가 아니라 길이가 10 피트인 탱크의 한쪽 끝면이 위의 이차원 도형인 여물통 모양으로 생각하면, 비슷한 문제가 되지만 조각은 얇은 원판이 아니라 얇은 직육면체 판이 된다. 각 조각은 너비가 2f(x)2 f(x), 길이가 1010 피트, 두께가 △x\triangle x 임에 주목하자. 따라서 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 탱크가 가득 차 있다고 가정하고 물을 hh 피트만큼 낮추려면 x=0x = 0 부터 x=hx = h 까지의 조각을 생각하면 된다. 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 더하면 전체 일은 W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) (b)의 여물통에 대해, 탱크가 가득 찼을 때 한쪽 끝면에 작용하는 전체 수압에 의한 힘을 구하려 한다. 먼저, 위치 xx 에 있는 대표적인 조각은 수면 아래 xx 피트의 깊이에 있고 넓이는 A조각≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△xA_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x 이다. 이 조각 위의 어느 점이든 깊이가 xx 이므로 작용하는 압력은 P조각≈62.4xP_{\text{조각}} \approx 62.4 x 이다. 압력은 물의 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이기 때문이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 힘을 구하기 위해 적분하여 더하면 F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we construct a picture of the tank as described. Below we see a sketch of f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) in the setting where the positive xx-axis points down; note that this function first crosses the xx-axis at about 1.845271.84527. We reflect the curve from the first quadrant across the positive xx-axis to generate a solid of revolution. Cross-sections perpendicular to the xx-axis have thickness △x\triangle x and are circular disks. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. In the first quadrant, the function f(x) We now suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Since the bottom of the tank is at 1.845271.84527, being full to a depth of 1.51.5 feet means that there is water from x=0.34527x = 0.34527 to x=1.84527x = 1.84527. To find the work done to pump the water until 0.50.5 feet remain in the tank (i.e. to a level where x=1.34527x = 1.34527), we have to first find the weight of a typical slice, which requires us to know the volume of such a slice. Observe that for a slice at depth xx, Vslice≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{slice}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. To find the total work accomplished, we use a definite integral to sum the work done on each slice from x=0.34527x = 0.34527 (the top of the water when the tank is initially full to 1.845271.84527 feet) to x=1.34527x = 1.34527 (the height of the water after 11 foot has been emptied). Thus, W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find W≈1353.55W \approx 1353.55 foot-pounds. (b) If instead we envision the tank not as a solid of revolution but as a trough, where the two-dimensional figure above forms one end of a tank that is 10 feet long, we now have a similar problem but with slices that are thin rectangular slabs, rather than thin cylindrical disks. Note that each such slice is 2f(x)2 f(x) wide, 1010 feet long, and △x\triangle x thick. Thus, for a slice at depth xx, Vslice≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Assuming that the tank is completely full, to lower the tank by hh feet, we consider slices from x=0x = 0 to x=hx = h, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we find that the total work is W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) For the trough described in (b), we now seek to find the total hydrostatic force on one of the ends of the tank when it is completely full. First, we note that a typical slice at location xx will be at a depth of xx feet below the water and have area Aslice≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x\,. At any point on this slice, which again lies at depth xx, the pressure exerted is Pslice≈62.4xP_{\text{slice}} \approx 62.4 x since pressure is the weight density of water times depth. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find that F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 pounds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.5절 · 18번
# 일그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
69.Active Calculus · 6.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

옆으로 눕혀 묻은 원기둥 모양의 물탱크가 있다. 반지름은 33 피트이고 길이는 1010 피트이다. 이 탱크에는 무게 밀도가 62.462.4 lbs/ft3^3 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 33 feet and length 1010 feet. It is filled completely with water whose weight density is 62.462.4 lbs/ft3^3, 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) yy축에 대응시키고 양의 xx축이 아래쪽을 향하게 잡으면 가장 간단하다. 이렇게 하면 x=0x = 0 은 지면이고 xx의 값은 특정 위치의 깊이를 나타낸다. 탱크의 원형 끝면은 반지름이 33 이고, 맨 위가 지하 22피트에 있으므로 중심이 점 (5,0)(5,0) 이다. 따라서 이 원의 방정식은 (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. 이다. yy에 대해 풀면 아래 그림의 오른쪽에 나타낸 반원의 방정식 y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2} 을 얻는다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 돌려져 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 첫 번째 그림에서 원의 위쪽 절반은 다음으로, 깊이 xx 에 있는 조각은 두께가 △x\triangle x 인 직사각형 판 모양이다. 길이는 1010 이고 너비는 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} 이다. 따라서 이 조각의 부피는 V조각≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. 이다. 물의 무게가 세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 전형적인 조각의 무게(따라서 그 조각에 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이 조각을 지하 xx피트 깊이에서 지면 위 4.54.5피트에 있는 트럭의 탱크까지 옮기려면 각 조각이 x+4.5x + 4.5피트를 이동해야 하므로, 이 조각을 옮기는 데 필요한 일은 W조각≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{조각}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 마지막으로 탱크의 절반을 비우려면 x=2x = 2 부터 x=5x = 5 까지의 조각을 생각해야 하므로, 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 합하면 W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 피트-파운드이다. (b) 남아 있는 물이 탱크의 한쪽 끝면에 가하는 수압에 의한 힘을 구하기 위해, 먼저 위치 xx 에 있는 직사각형 조각의 넓이를 구하면 A조각≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이러한 조각은 x=5x = 5 와 x=8x = 8 사이에 놓이며, 이 xx의 값은 남아 있는 물의 맨 위부터 바닥까지의 깊이를 나타낸다. 이 구간의 xx 에서 조각의 수면 아래 깊이는 x−5x - 5 이다. 압력은 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이므로 P조각≈62.4(x−5) .P_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5)\,. 이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이를 적분하여 전체 힘을 합하면 F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 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) yy-axis with the positive xx-axis pointing straight down, so that x=0x = 0 corresponds to ground level and the value of xx tells us the depth of a particular location. The circular end of the tank has radius 33 and is centered at the point (5,0)(5,0) since its top is 22 feet underground. Thus, the equation of that circle is (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. Solving for yy, we find the equation of one half of the circle, the half that is pictured at right in the figure below: y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2}. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. The top half of the circle in the first Next, for a slice at depth xx, its shape is a rectangular slab with thickness △x\triangle x. Its length is 1010, and its width is 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2}. Thus, the volume of such a slice is Vslice≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. With the water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight of (and thus force to be exerted upon) a typical slice is Fslice≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. To move such a slice from its depth xx feet below the ground to a tank on a truck that's 4.54.5 feet above ground, each slice must travel x+4.5x + 4.5 feet, and thus the work to move the slice is Wslice≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{slice}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Finally, to empty half the tank, we need to consider slices from x=2x = 2 to x=5x = 5, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we get W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 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 xx, which is Aslice≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. We note that such a slice lies between x=5x = 5 and x=8x = 8, which is the values of xx that represent the depths of remaining water from top to bottom. At an xx in this interval, the slice's depth below the surface of the water is x−5x - 5. Thus, since pressure is weight-density times depth, it follows that Pslice≈62.4(x−5) .P_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5)\,. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 pounds.

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