2차원 세계에서 마찰 없이 언덕 위를 미끄러져 내려가는 스키 선수를 생각하세요. 스키 선수에게는 두 힘이 작용합니다. 하나는 중력입니다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용합니다. 이 두 번째 힘은 스키 선수가 언덕 속으로 파고들지 않도록 크기가 저절로 조절됩니다. 스키 선수가 인 어떤 점 에서 공중으로 떠올랐다고 합시다. 이때 스키 선수의 속력은 얼마였는지 구하세요.
영어 원문 보기
Consider a skier who is sliding without friction on the hill in a two dimensional world. The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill. The second force automatically adjusts its magnitude so as to prevent the skier from burrowing into the hill. Suppose that the skier became airborne at some with . How fast was the skier going?
정답·풀이 보기
시각 에서 스키 선수의 위치를 로 나타내자. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안
따라서 스키 선수의 속도 벡터와 가속도 벡터는 다음과 같다.
스키 선수에게는 두 힘이 작용한다. 하나는 중력이다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용하며, 스키 선수가 언덕 표면 위에 머물도록 하는 크기를 가진다. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안에는 속도 벡터가 언덕에 접하므로, 이 속도 벡터로부터 에서 언덕에 수직인 벡터 하나가 임을 알 수 있다. 이 벡터는 단위벡터가 아니지만 상관없다. 뉴턴의 운동 법칙에 의해
이다. 여기서 는 어떤 함수이다. 이 등식의 양변에 를 내적한다.
대입하면
이다. 인 동안에는 언덕이 스키 선수를 표면 위에 머물게 하려고 위로 밀고 있다. 가 음수가 되면 언덕이 스키 선수를 표면에 붙잡아 두기 위해 잡아당겨야 한다. 그러나 언덕은 잡아당길 수 없으므로 스키 선수는 대신 공중으로 떠오른다. 이는
일 때 일어난다. 즉 일 때이다. 이때 , 이고 스키 선수의 속력은
이다.
원본 교재 풀이(영어)
Denote by the position of the skier at time . As long as the skier remains on the surface of the hill
So the velocity and acceleration vectors of the skier are
The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill and has a magnitude such that the skier remains on the surface of the hill. From the velocity vector of the skier (which remain tangential to the hill as long as the skier remains of the surface of the hill),we see that one vector normal to the hill at is This vector is not a unit vector, but that's ok. By Newton's law of motion
for some function . Dot both sides of this equation with .
Substituting in
As long as , the hill is pushing up in order to keep the skier on the surface. When becomes negative, the hill has to pull on the skier in order to keep her on the surface. But the hill can't pull, so the skier becomes airborne instead. This happens when
That is when . At this time , and the speed of the skier is
한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 1.2절 · 35번우리말 번역
구슬 하나가 평면 위에 놓여 있다. 좌표계는 양의 축이 똑바로 위를 향하도록 잡았다. 계수 는 0이 아니고, 계수 와 는 둘 다 0은 아니다. 구슬은 어느 방향으로 구르는가? "" 과 " 가 둘 다 0은 아니다"라는 조건은 왜 붙였는지 설명하세요.
다 풀었으면 정답 확인
구슬에는 두 힘이 작용한다. 첫째는 중력으로 이며, 은 구슬의 질량이다. 둘째는 평면이 가하는 수직항력이다. 이 힘은 평면에 수직인 방향으로 작용한다. 평면에 수직인 벡터 하나는 이다. 따라서 평면에 의한 힘은 이다. 여기서 는 평면에 수직인 알짜힘이 정확히 0이어야 한다는 성질로 정해지는데, 그래야 구슬이 평면 속으로 파고들지도, 평면에서 튀어 오르지도 않고 평면 위에 머문다. 중력을 법선 벡터 위로 정사영한 것은 다음과 같다.
따라서 를 정하는 조건은 다음과 같다.
그러면 구슬에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다(마찰은 무시한다. 마찰은 운동 방향에 영향을 주지 않는다).
운동 방향은 이다. 이를 단위벡터로 바꾸려면 으로 나누면 된다. 이 방향 벡터는 에 수직이므로 평면에 평행하다. 이면 평면은 수직이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 곧장 아래로 떨어진다. 이면 평면은 수평이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 정지해 있다.