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?
영어 원문 보기
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?
정답·풀이 보기
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.)
원본 교재 풀이(영어)
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.)
한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.1절 · 1번우리말 번역
중력에 대항하여 3그램 질량의 블록을 10 센티미터 높이만큼 들어 올리는 데 필요한 일(줄 단위)을 구하세요 ( m/sec 이용).
다 풀었으면 정답 확인
힘은 질량 가속도이고(이 문제에서 가속도는 와 같다), 이 상황에서는 둘 다 상수이므로 블록에 작용하는 힘을 계산하는 데 적분은 필요 없고 곱셈만 하면 된다.
힘을 뉴턴 단위로 구하기 위해, 1뉴턴이 임을 떠올리면 블록의 질량이 kg 단위로 필요하다. 블록의 질량은 kg 이다. 따라서 작용하는 힘은
일을 줄 단위로 구하기 위해, 1줄은 1뉴턴미터, 즉 1뉴턴의 힘이 1미터에 걸쳐 작용한 일임을 떠올리자. 따라서 거리를 미터 단위로 나타내야 한다.