힘 N이 비선형 용수철을 미터만큼 늘입니다. 이 용수철을 에서 m까지 늘이는 데 필요한 일을 구하세요.
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A force of N stretches a nonlinear spring by meters. What work is required to stretch the spring from to m?
문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용
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.
15문제 · 1 / 1쪽
힘 N이 비선형 용수철을 미터만큼 늘입니다. 이 용수철을 에서 m까지 늘이는 데 필요한 일을 구하세요.
A force of N stretches a nonlinear spring by meters. What work is required to stretch the spring from to m?
[계산기 사용] 앞 연습문제의 피라미드에 대해, 일꾼 명이 하루 시간, 일주일에 일, 일 년에 주씩 일했다고 가정합니다. 일꾼들이 평균적으로 100 lb 짜리 돌 10 개를 시간당 ft 의 속도로 들어 올렸다면, 피라미드를 짓는 데 얼마나 걸렸는지 구하세요.
[T] For the pyramid in the preceding exercise, assume there were workers each working hours a day, days a week, weeks a year. If the workers, on average, lifted 10 100 lb rocks ft/hr, how long did it take to build the pyramid?
원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 20번[계산기 사용] 직사각형 모양의 댐의 높이가 ft이고 너비가 ft이다. 물의 무게 밀도는 62.5 lbs/ft3이라고 하자. 다음 각 경우에 댐에 작용하는 전체 힘 를 계산하세요.
a. 수면이 댐의 꼭대기에 있을 때 b. 수면이 댐의 중간 높이에 있을 때
[T] A rectangular dam is ft high and ft wide. Assume the weight density of water is 62.5 lbs/ft3. Compute the total force on the dam when
a. the surface of the water is at the top of the dam and b. the surface of the water is halfway down the dam.
[계산기 사용] 밑면이 반지름 ft인 원이고 높이가 ft인 원기둥 안의 물을 모두 퍼내는 데 필요한 일을 구하세요. 물의 밀도는 62 lb/ft3임을 이용하세요.
[T] Find the work required to pump all the water out of a cylinder that has a circular base of radius ft and height ft. Use the fact that the density of water is lb/ft3.
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.5절 · 18번[계산기 사용] 앞선 연습문제에서 원기둥에 물이 절반만 차 있을 때, 원기둥에서 물을 모두 퍼내는 데 필요한 일을 구하세요.
[T] Find the work required to pump all the water out of the cylinder in the preceding exercise if the cylinder is only half full.
[계산기 사용] 수영장 밑면의 넓이가 ft2이고, 물의 깊이가 ft이며, 수영장 윗면이 수면보다 ft 높다. 이 수영장의 물을 퍼내는 데 필요한 일은 얼마인지 구하세요. 물의 밀도는 62 lb/ft3이라고 하세요.
[T] How much work is required to pump out a swimming pool if the area of the base is ft2, the water is ft deep, and the top is ft above the water level? Assume that the density of water is lb/ft3.
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 3번깊이가 이고 단면의 넓이가 인 원기둥에 밀도가 인 물이 가득 차 있다. 물을 모두 꼭대기까지 퍼 올리는 데 필요한 일을 계산하세요.
A cylinder of depth and cross-sectional area stands full of water at density Compute the work to pump all the water to the top.
앞의 연습문제의 원기둥에 대하여, 원기둥에 물이 절반만 차 있을 때 모든 물을 꼭대기까지 퍼 올리는 데 필요한 일을 계산하세요.
For the cylinder in the preceding exercise, compute the work to pump all the water to the top if the cylinder is only half full.
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 14번무게 100 lb 의 모래주머니를 1분 동안 일정한 속도로 120 ft 들어 올린다. 모래는 주머니에서 1/4 lb/s 의 비율로 새어 나간다. 주머니를 들어 올리는 데 한 일의 총량을 구하세요.
A 100 lb bag of sand is lifted uniformly 120 ft in one minute. Sand leaks from the bag at a rate of 1/4 lb/s. What is the total work done in lifting the bag?
높이가 5 m이고 반지름이 2 m인 원기둥 모양의 탱크에 질량 밀도가 737.22 kg/m 인 휘발유가 3 m 높이만큼 채워져 있다. 휘발유를 모두 탱크의 꼭대기까지 퍼 올리는 데 한 일의 총량을 구하세요.
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/m. 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/ft 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?
A 6 ft cylindrical tank with a radius of 3 ft is filled with water, which has a weight density of 62.4 lb/ft. 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?
(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.
(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/ft 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?
A gasoline tanker is filled with gasoline with a weight density of 45.93 lb/ft. 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?
192,767 ft–lb. 탱크가 가로로 놓여 있음에 주의한다. 탱크의 원형 단면 중 한쪽의 중심을 원점으로 하자. 반지름이 3.75 ft이고 휘발유를 까지 퍼 올리므로, 휘발유가 이동하는 거리는 이다. 물의 미소 요소는 길이가 20이고 너비가 인 직사각형이다. 따라서 이 휘발유 조각을 옮기는 데 필요한 힘은 이다. 한 일의 총량은 이다. 이 값은 실제로 적분하지 않고도 구할 수 있다. 이 적분을 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.)
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 ; thus the distance the gas travels is . A differential element of water is a rectangle, with length 20 and width . Thus the force required to move that slab of gas is . Total work is . This can be evaluated without actual integration; split the integral into . 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.)
다음 등식을 생각하세요. 여기서 는 미터(m) 단위로 측정하고, 는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정합니다.
충분히 큰 어떤 에 대해 다음과 같이 어림할 수 있습니다. 여기서 이고 는 구간 안의 어떤 수입니다. (이것은 리만 합의 일반적인 꼴일 뿐입니다.)
(a) 의 단위는 무엇인지 구하세요. (b) 의 단위는 무엇인지 구하세요. (c) 위의 답을 이용하여 의 단위는 무엇인지 구하세요.
참고: 본문에서 이미 의 단위를 알고 있지만, 리만 합을 통해 이 특정한 적분에서 그 단위가 왜 타당한지 알 수 있습니다.
Consider the equation where is measured in metres and is measured in kilogram-metres per second squared (newtons).
For some large , we might approximate where and is some number in the interval . (This is just the general form of a Riemann sum).
(a) What are the units of ? (b) What are the units of ? (c) Using your answers above, what are the units of ?
Remark: we already know the units of from the text, but the Riemann sum illustrates why they make sense arising from this particular integral.
(a) 으로 정의하였다. 즉, 를 개로 나눌 때 한 구간의 길이이다. 와 를 미터로 측정하면 도 미터로 측정된다. 따라서 의 단위는 미터이다.
다르게 말하면, 와 가 모두 미터 단위의 양을 나타내므로 도 미터 단위의 양을 나타낸다. (단위가 같은 양끼리 더하거나 빼면 그 합이나 차도 같은 단위로 주어진다.) 은 단위가 없는 양(단순한 수이며 “ kg” 이나 “ m” 이 아님)이므로 도 여전히 미터 단위의 양을 나타낸다. (6 미터의 천을 3 조각으로 자르면 각 조각은 미터이다. 2 킬로그램이나 매 초 2 미터가 아니다.) (b) 를 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정하므로 의 단위는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴)이다. (c) 는 꼴의 항들을 더하여 구한다. 의 단위는 의 단위와 의 단위의 곱이다. 즉, 의 단위는 이다. 줄 단위로 주어진 항들의 합은 그 자체로 줄 단위이므로 의 단위는 줄이다.
(a) We defined : that is, the length of one interval, when we chop into of them. If and are measured in metres, then is measured in metres as well. So, the units of are metres.
Put another way, since and both describe a quantity in metres, 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 is a unitless quantity (simply a number: not “ kg" or “ m"), still describes a quantity in metres. (If I have 6 metres of cloth, and I cut it into 3 pieces, each piece has metres–not 2 kilograms, or 2 metres per second.) (b) Since is measured in kilogram-metres per second squared (newtons), the units of are kilogram-metres per second squared (newtons). (c) is calculated by adding up summands of the form . The units of are the products of the units of with the units of . That is, the units of are . The sum of terms given in joules is itself given in joules, so the units of are joules.
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 m/sec을 사용하세요.
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 m/sec for the acceleration due to gravity.
먼저 끌어올린 시간을 끌어올린 길이로 바꾸어 보자. 밧줄을 미터 끌어올렸을 때 초가 지났으므로 양동이에서 리터의 물이 새어 나갔고, 리터가 남는다. (이는 일 때만 의미가 있지만, 여기서는 가 0에서 5까지인 경우만 생각하므로 문제가 되지 않는다. 즉, 더 이상 샐 물이 없는 빈 양동이를 끌어올리는 경우는 없다.)
밧줄을 미터 끌어올렸을 때 양동이 속 물의 질량은 kg이므로, 물에 작용하는 중력은 N이다. 밧줄을 5미터 끌어올리므로 한 일의 양은 다음과 같다.
Let's start by converting from time spent pulling to amount pulled. When metres of rope have been pulled up, seconds have passed, so litres of water have leaked out of the bucket, leaving litres. (This only makes sense when , but we only consider values of 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 metres of rope, the mass in the bucket is kg, so the force of gravity acting on it is N. Since we pull up 5 metres of rope, the work done is:
옆으로 눕혀 묻은 원기둥 모양의 물탱크가 있다. 반지름은 피트이고 길이는 피트이다. 이 탱크에는 무게 밀도가 lbs/ft 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.
A cylindrical tank, buried on its side, has radius feet and length feet. It is filled completely with water whose weight density is lbs/ft, 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.
(a) 먼저 원기둥 탱크의 한쪽 끝면에 대해 좌표축을 잡고 그림을 그린다. 지면을 (수평인) 축에 대응시키고 양의 축이 아래쪽을 향하게 잡으면 가장 간단하다. 이렇게 하면 은 지면이고 의 값은 특정 위치의 깊이를 나타낸다. 탱크의 원형 끝면은 반지름이 이고, 맨 위가 지하 피트에 있으므로 중심이 점 이다. 따라서 이 원의 방정식은
이다. 에 대해 풀면 아래 그림의 오른쪽에 나타낸 반원의 방정식 을 얻는다.
다음으로, 깊이 에 있는 조각은 두께가 인 직사각형 판 모양이다. 길이는 이고 너비는 이다. 따라서 이 조각의 부피는
이다. 물의 무게가 세제곱피트당 파운드이므로, 전형적인 조각의 무게(따라서 그 조각에 가해야 하는 힘)는
이다. 이 조각을 지하 피트 깊이에서 지면 위 피트에 있는 트럭의 탱크까지 옮기려면 각 조각이 피트를 이동해야 하므로, 이 조각을 옮기는 데 필요한 일은
이다. 마지막으로 탱크의 절반을 비우려면 부터 까지의 조각을 생각해야 하므로, 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 합하면
피트-파운드이다.
(b) 남아 있는 물이 탱크의 한쪽 끝면에 가하는 수압에 의한 힘을 구하기 위해, 먼저 위치 에 있는 직사각형 조각의 넓이를 구하면
이다. 이러한 조각은 와 사이에 놓이며, 이 의 값은 남아 있는 물의 맨 위부터 바닥까지의 깊이를 나타낸다. 이 구간의 에서 조각의 수면 아래 깊이는 이다. 압력은 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이므로
이다. 마지막으로 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은
이다. 이를 적분하여 전체 힘을 합하면
파운드이다.
(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) -axis with the positive -axis pointing straight down, so that corresponds to ground level and the value of tells us the depth of a particular location. The circular end of the tank has radius and is centered at the point since its top is feet underground. Thus, the equation of that circle is
Solving for , we find the equation of one half of the circle, the half that is pictured at right in the figure below: .
Next, for a slice at depth , its shape is a rectangular slab with thickness . Its length is , and its width is . Thus, the volume of such a slice is
With the water weighing pounds per cubic foot, the weight of (and thus force to be exerted upon) a typical slice is
To move such a slice from its depth feet below the ground to a tank on a truck that's feet above ground, each slice must travel feet, and thus the work to move the slice is
Finally, to empty half the tank, we need to consider slices from to , and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we get
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 , which is
We note that such a slice lies between and , which is the values of that represent the depths of remaining water from top to bottom. At an in this interval, the slice's depth below the surface of the water is . Thus, since pressure is weight-density times depth, it follows that
Finally, since , the total force water is exerting on this slice is
Integrating to sum the total force, we find
pounds.