문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

공간에서의 운동

위치벡터로 속도·가속도를 구하고 포물체 운동, 접선·법선 가속도를 다룬다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 1.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래 그림은 철사를 따라 미끄러져 내려가는 구슬을 나타낸 것입니다. 철사가 구슬에 작용하는 수직항력과 중력을 나타내는 벡터를 그리세요.

그림

페이지의 위쪽이 "수직 위쪽"이라고 가정하세요.

영어 원문 보기

The figure below represents a bead sliding down a wire. Sketch vectors representing the normal force the wire exerts on the bead, and the force of gravity.

figure

Assume the top of the page is “straight up."

정답·풀이 보기

벡터의 크기를 가늠할 만한 정보는 충분하지 않지만, 방향은 알 수 있다. 중력은 바로 아래로 당기므로 벡터 −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 바로 아래를 향한다. 수직항력은 곡선에 수직인 방향이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We don't have enough information to gauge the size of the vectors, but we can figure out their direction. Gravity pulls straight down, so the vector −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} points straight down. The normal force will be normal to the curve.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 13번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 1.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 의 정의에서 v\mathbf{v} 는 위치를 어떤 양에 대해 미분한 도함수입니까?

영어 원문 보기

In the definition E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to what quantity?

정답·풀이 보기

이 식은 F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a} 에서 나온 것이다. 이 식에서 a\mathbf{a} 는 가속도로, 위치를 시간에 대해 두 번 미분한 것이다. 따라서 v\mathbf{v} 는 위치를 시간에 대해 미분한 도함수이다.

앞에서는 v\mathbf{v} 를 위치를 정의하는 데 쓰는 매개변수에 대한 위치의 도함수로 사용했다. 그 매개변수는 흔히 tt 라고 불렀지만 반드시 시간인 것은 아니었다. 그러므로 이 점은 잘 구별해 두어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

This equation stems from F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a}. In that equation, a\mathbf{a} is acceleration — the second derivative of position with respect to time. So, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to time.

We previously used v\mathbf{v} as the derivative of position with respect to the parameter we use to define our position — which was often called tt, but was not the necessarily time. So this is a good point to keep straight.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 1번
# 공간에서의 운동계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 1.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

아래와 같은 모양의 철사를 따라 구슬이 미끄러져 내려갑니다. x<0x<0 입니다.

그림

구슬이 위치 xx 에 있을 때 철사가 구슬에 가하는 수직항력을 WN^W\hat{\mathbf{N}} 이라 하세요. 단, W>0W>0 입니다. dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} 는 양수인지 음수인지 판단하세요.

영어 원문 보기

A bead slides down a wire with the shape shown below, x<0x<0.

figure

Let WN^W\hat{\mathbf{N}} be the normal force exerted by the wire when the bead is at position xx. Note W>0W>0. Is dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} positive or negative?

정답·풀이 보기

풀이 1:

xx 가 음수이고 절댓값이 클수록 철사는 점점 수직선에 가까워진다. 구슬이 수직인 철사를 따라 내려간다면 철사에 닿지 않고도 내려갈 수 있으므로, 구슬에 가해지는 힘은 0이다. xx 가 왼쪽에서 0에 가까워질수록 철사는 수평선에 가까워진다. 구슬이 수평선 위에 놓여 있다면 철사는 중력을 상쇄하도록 위로 밀어 올릴 것이다. 따라서 철사가 가하는 힘의 크기는 xx 가 증가함에 따라 증가한다고 생각할 수 있다. 즉, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

풀이 2:

구슬에 작용하는 알짜힘은 다음과 같다.

F=ma=WN^−mgȷ^양변에 N^ 을 내적한다.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^식 a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^ 을 이용하면,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{양변에 $\hat{\mathbf{N}}$ 을 내적한다.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{식 $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$ 을 이용하면,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

여기서 θ\theta 는 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 N^\hat{\mathbf{N}} 사이의 각이다.

xx 가 절댓값이 큰 음수에서 0으로 움직이면 θ\theta 는 π/2\pi/2 에 가까운 값에서 00 에 가까운 값으로 움직인다. 따라서 cos⁡θ\cos \theta 는 0에 가까운 값에서 1에 가까운 값으로 증가한다. 그러면 mgcos⁡θmg\cos\theta 는 증가한다.

또한 xx 가 증가함에 따라 그림에서 곡률 κ\kappa 가 증가하고, 속력 dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} 도 증가함을 알 수 있다(위치 에너지가 감소하므로 운동 에너지는 증가한다).

따라서 dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1:

For large, negative values of xx, the wire is closer and closer to a vertical line. If the bead were sliding down a vertical wire, it could do so without even touching the wire, so the force exerted on the bead would be zero. As xx approaches 0 from the left, the wire approximates a horizontal line. If the bead were sitting on a horizontal line, the wire would be pushing up to counter gravity. So, we imagine the magnitude of the force exerted by the wire might increase as xx increases. That is, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

Solution 2:

The net force exerted on the bead is

F=ma=WN^−mgȷ^We dot both sides with N^.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^Using the equation a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{We dot both sides with $\hat{\mathbf{N}}$.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{Using the equation $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

where θ\theta is the angle between ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} and N^\hat{\mathbf{N}}.

As xx moves from a highly negative number to zero, θ\theta moves from nearly π/2\pi/2 to nearly 00. Therefore cos⁡θ\cos \theta increases from nearly zero to nearly one. Then mgcos⁡θmg\cos\theta is increasing.

Furthermore, as xx increases, we see from the picture that the curvature κ\kappa increases, and speed dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} increases as well (kinetic energy is increasing as potential energy decreases).

So, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 2번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)