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.

96문제 · 5 / 5쪽

81.APEX · 11.3절 · 34번대학 수준우리말 번역

연습문제 33–36에서, 주어진 구간에서 다음 물체의 변위, 이동 거리, 평균 속도, 평균 속력을 구하세요.

위치 함수가 r⃗(t)=⟨5cos⁡t,−5sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos t,-5\sin t\right\rangle 인 물체이다. 여기서 거리는 피트 단위, 시간은 초 단위로 측정하며, 구간은 [0,π][0,\pi] 이다.

영어 원문 보기

In Exercises 33–36 , find the displacement, distance traveled, average velocity and average speed of the described object on the given interval.

An object with position function r⃗(t)=⟨5cos⁡t,−5sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos t,-5\sin t\right\rangle , where distances are measured in feet and time is in seconds, on [0,π][0,\pi].

정답·풀이 보기

변위: ⟨−10,0⟩\left\langle -10,0\right\rangle ; 이동 거리: 5π≈15.715\pi \approx 15.71ft; 평균 속도: ⟨−10/π,0⟩≈⟨−3.18,0⟩\left\langle -10/\pi,0\right\rangle \approx \left\langle -3.18,0\right\rangle ; 평균 속력: 55ft/s

원본 교재 풀이(영어)

Displacement: ⟨−10,0⟩\left\langle -10,0\right\rangle ; distance traveled: 5π≈15.715\pi \approx 15.71ft; average velocity: ⟨−10/π,0⟩≈⟨−3.18,0⟩\left\langle -10/\pi,0\right\rangle \approx \left\langle -3.18,0\right\rangle ; average speed: 55ft/s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 29번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.APEX · 11.3절 · 35번대학 수준우리말 번역

연습문제 33–36에서, 주어진 구간에서 다음 물체의 변위, 이동 거리, 평균 속도, 평균 속력을 구하세요.

속도 함수가 v⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle \cos t,\sin t\right\rangle 인 물체이다. 여기서 거리는 피트 단위, 시간은 초 단위로 측정하며, 구간은 [0,2π][0,2\pi] 이다.

영어 원문 보기

In Exercises 33–36 , find the displacement, distance traveled, average velocity and average speed of the described object on the given interval.

An object with velocity function v⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle \cos t,\sin t\right\rangle , where distances are measured in feet and time is in seconds, on [0,2π][0,2\pi].

정답·풀이 보기

변위: ⟨0,0⟩\left\langle 0,0\right\rangle ; 이동 거리: 2π≈6.282\pi \approx 6.28ft; 평균 속도: ⟨0,0⟩\left\langle 0,0\right\rangle ; 평균 속력: 11ft/s

원본 교재 풀이(영어)

Displacement: ⟨0,0⟩\left\langle 0,0\right\rangle ; distance traveled: 2π≈6.282\pi \approx 6.28ft; average velocity: ⟨0,0⟩\left\langle 0,0\right\rangle ; average speed: 11ft/s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 33번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.APEX · 11.3절 · 36번대학 수준우리말 번역

연습문제 33–36에서, 주어진 구간에서 다음 물체의 변위, 이동 거리, 평균 속도, 평균 속력을 구하세요.

속도 함수가 v⃗(t)=⟨1,2,−1⟩\vec v(t) = \left\langle 1,2,-1\right\rangle 인 물체이다. 여기서 거리는 피트 단위, 시간은 초 단위로 측정하며, 구간은 [0,10][0,10] 이다.

영어 원문 보기

In Exercises 33–36 , find the displacement, distance traveled, average velocity and average speed of the described object on the given interval.

An object with velocity function v⃗(t)=⟨1,2,−1⟩\vec v(t) = \left\langle 1,2,-1\right\rangle , where distances are measured in feet and time is in seconds, on [0,10][0,10].

정답·풀이 보기

변위: ⟨10,20,−20⟩\left\langle 10,20,-20\right\rangle ; 이동 거리: 3030ft; 평균 속도: ⟨1,2,−2⟩\left\langle 1,2,-2\right\rangle ; 평균 속력: 33ft/s

원본 교재 풀이(영어)

Displacement: ⟨10,20,−20⟩\left\langle 10,20,-20\right\rangle ; distance traveled: 3030ft; average velocity: ⟨1,2,−2⟩\left\langle 1,2,-2\right\rangle ; average speed: 33ft/s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 21번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.APEX · 11.3절 · 37번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 투사체 운동의 원리에 바탕을 둔 여러 문제를 풀어 봅니다.

한 소년이 3ft 길이의 끈에 매단 공을 머리 위에서 반시계 방향으로 원을 그리며 돌린다. 공은 1초에 2번 회전한다.

공이 소년 앞 10ft 거리에 서 있는 나무를 향해 곧바로 날아가려면, 소년은 tt의 값이 얼마일 때 끈을 놓아야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A boy whirls a ball, attached to a 3ft string, above his head in a counter–clockwise circle. The ball makes 2 revolutions per second.

At what tt-values should the boy release the string so that the ball heads directly for a tree standing 10ft in front of him?

정답·풀이 보기

tt의 값이 sin⁡−1(9/30)/(4π)+n/2≈0.024+n/2\sin^{-1}(9/30)/(4\pi) + n/2 \approx 0.024 + n/2 초일 때이다. 여기서 nn은 정수이다.

원본 교재 풀이(영어)

At tt-values of sin⁡−1(9/30)/(4π)+n/2≈0.024+n/2\sin^{-1}(9/30)/(4\pi) + n/2 \approx 0.024 + n/2 seconds, where nn is an integer.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 11번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.APEX · 11.3절 · 38번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42번은 포물선 운동(투사체 운동)의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 한다.

데이비드는 길이 3ft의 물매(투석끈)에 돌 하나만 들고 골리앗과 마주 서 있다. 그는 이 돌을 머리 위에서 초당 4회전의 속도로 휘돌린다. 두 사람은 20ft 떨어져 서 있다.

(a) 골리앗을 맞히려면 데이비드는 물매의 돌을 어떤 tt 값에서 놓아야 하는지 구하세요. (b) 돌을 놓는 순간 돌의 속력을 구하세요. (c) 데이비드가 돌을 6ft 높이에서 놓고 골리앗의 이마가 지면으로부터 9ft 높이에 있다고 가정할 때, 골리앗의 머리를 맞히려면 데이비드가 돌에 어떤 올려본각을 주어야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

David faces Goliath with only a stone in a 3ft sling, which he whirls above his head at 4 revolutions per second. They stand 20ft apart.

(a) At what tt-values must David release the stone in his sling in order to hit Goliath? (b) What is the speed at which the stone is traveling when released? (c) Assume David releases the stone from a height of 6ft and Goliath's forehead is 9ft above the ground. What angle of elevation must David apply to the stone to hit Goliath's head?

정답·풀이 보기

휘돌리는 동안의 돌은 r⃗(t)=⟨3cos⁡(8πt),3sin⁡(8πt)⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos(8\pi t),3\sin (8\pi t)\right\rangle 로 나타낼 수 있다.

(a) tt 값은 t=sin⁡−1(3/20)/(8π)+n/4≈0.006+n/4t=\sin^{-1}(3/20)/(8\pi) + n/4 \approx 0.006 + n/4 이다. 여기서 nn 은 정수이다. (b) ∥r⃗ ′(t)∥=24π≈51.4\left\|\vec r\,'(t)\right\| = 24\pi\approx 51.4ft/s (c) t=0.006t=0.006 일 때 돌은 골리앗으로부터 약 19.7719.77ft 떨어져 있다. 포물선 운동 공식을 이용하여, ⟨0,6⟩\left\langle 0,6\right\rangle 에서 처음 속도 51.451.4ft/s 로 출발한 투사체가 ⟨19.77,9⟩\left\langle 19.77,9\right\rangle 에 도달하게 하는 올려본각을 구한다. 구하는 각은 0.270.27 라디안, 즉 15.69∘15.69^\circ 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The stone, while whirling, can be modeled by r⃗(t)=⟨3cos⁡(8πt),3sin⁡(8πt)⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos(8\pi t),3\sin (8\pi t)\right\rangle .

(a) For tt-values t=sin⁡−1(3/20)/(8π)+n/4≈0.006+n/4t=\sin^{-1}(3/20)/(8\pi) + n/4 \approx 0.006 + n/4, where nn is an integer. (b) ∥r⃗ ′(t)∥=24π≈51.4\left\|\vec r\,'(t)\right\| = 24\pi\approx 51.4ft/s (c) At t=0.006t=0.006, the stone is approximately 19.7719.77ft from Goliath. Using the formula for projectile motion, we want the angle of elevation that lets a projectile starting at ⟨0,6⟩\left\langle 0,6\right\rangle with a initial velocity of 51.451.4ft/s arrive at ⟨19.77,9⟩\left\langle 19.77,9\right\rangle . The desired angle is 0.270.27 radians, or 15.69∘15.69^\circ.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 19번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.APEX · 11.3절 · 39번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 투사체 운동의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 합니다.

한 사냥꾼이 40야드 떨어진 사슴을 겨냥한다. 그녀의 석궁은 높이 5ft에 있고, 그녀는 사슴의 지면으로부터 4ft 높이에 있는 지점을 겨냥한다. 석궁은 화살을 300ft/s로 발사한다.

(a) 목표물을 맞히려면 석궁을 어느 정도의 올려보는 각(앙각)으로 들어야 하나요? (b) 사슴이 그녀의 시선에 수직인 방향으로 시속 20mph로 움직이고 있다면, 원하는 위치를 맞히기 위해 사슴보다 대략 얼마나 앞쪽을 겨냥해야 하나요?

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A hunter aims at a deer which is 40 yards away. Her crossbow is at a height of 5ft, and she aims for a spot on the deer 4ft above the ground. The crossbow fires her arrows at 300ft/s.

(a) At what angle of elevation should she hold the crossbow to hit her target? (b) If the deer is moving perpendicularly to her line of sight at a rate of 20mph, by approximately how much should she lead the deer in order to hit it in the desired location?

정답·풀이 보기

(a) 석궁을 0.0130.013 라디안, 즉 ≈0.745∘\approx 0.745^\circ 의 각으로 들면 0.40.4초 후에 목표물을 맞힌다. (각이 89∘89^\circ 이고 18.7518.75초 후에 떨어지는 다른 해도 있지만, 현실적이지 않다.) (b) 화살이 날아가는 .4초 동안 20mph, 즉 29.33ft/s로 움직이는 사슴은 11.7ft를 이동할 수 있다. 따라서 사슴보다 11.7ft 앞쪽을 겨냥해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Holding the crossbow at an angle of 0.0130.013 radians, ≈0.745∘\approx 0.745^\circ will hit the target 0.40.4s later. (Another solution exists, with an angle of 89∘89^\circ, landing 18.7518.75s later, but this is impractical.) (b) In the .4 seconds the arrow travels, a deer, traveling at 20mph or 29.33ft/s, can travel 11.7ft. So she needs to lead the deer by 11.7ft.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 23번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
87.APEX · 11.3절 · 40번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 포물체 운동의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 합니다.

한 야구 선수가 보스턴의 펜웨이 파크에서 처음 높이 3ft, 올림각 20∘20^\circ 로 100mph 의 속력으로 공을 칩니다. 공은 홈플레이트에서 310ft 떨어진 곳에 있는 높이 37ft 의 벽, 유명한 “그린 몬스터”를 향해 날아갑니다.

(a) 친 그대로라면 공이 벽에 맞음을 보이세요. (b) 올림각이 21∘21^\circ 이면 공이 그린 몬스터를 넘어감을 보이세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A baseball player hits a ball at 100mph, with an initial height of 3ft and an angle of elevation of 20∘20^\circ, at Boston's Fenway Park. The ball flies towards the famed “Green Monster,” a wall 37ft high located 310ft from home plate.

(a) Show that as hit, the ball hits the wall. (b) Show that if the angle of elevation is 21∘21^\circ, the ball clears the Green Monster.

정답·풀이 보기

공의 위치 함수는 r⃗(t)=⟨(146.67cos⁡θ)t,−16t2+(146.67sin⁡θ)t+3⟩\vec r(t) = \left\langle (146.67\cos\theta)t,-16t^2+(146.67\sin\theta)t+3\right\rangle 이다. 여기서 θ\theta 는 올림각이다.

(a) θ=20∘\theta=20^\circ 이면 공은 2.25초 후에 홈플레이트에서 310ft 떨어진 곳에 도달하고, 이때 공의 높이는 34.9ft 로 그린 몬스터를 넘기기에 충분하지 않다. (b) θ=21∘\theta=21^\circ 이면 공은 2.26초 후에 홈플레이트에서 310ft 떨어진 곳에 도달하고, 이때 높이는 40ft 로 벽을 넘어간다.

원본 교재 풀이(영어)

The position function of the ball is r⃗(t)=⟨(146.67cos⁡θ)t,−16t2+(146.67sin⁡θ)t+3⟩\vec r(t) = \left\langle (146.67\cos\theta)t,-16t^2+(146.67\sin\theta)t+3\right\rangle , where θ\theta is the angle of elevation.

(a) With θ=20∘\theta=20^\circ, the ball reaches 310ft from home plate in 2.25 seconds; at this time, the height of the ball is 34.9ft, not enough to clear the Green Monster. (b) With θ=21∘\theta=21^\circ, the ball reaches 310ft from home plate in 2.26s, with a height of 40ft, clearing the wall.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 39번
# 공간에서의 운동증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
88.APEX · 11.3절 · 41번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 포물체 운동의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 합니다.

세스나 비행기가 1000ft 높이에서 150mph 로 날다가, 섬에 있는 교수(와 그의 아내)에게 보급품 상자를 떨어뜨립니다. 공기 저항을 무시할 때, 보급품은 땅에 닿기 전까지 수평으로 얼마나 멀리 이동하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A Cessna flies at 1000ft at 150mph and drops a box of supplies to the professor (and his wife) on an island. Ignoring wind resistance, how far horizontally will the supplies travel before they land?

정답·풀이 보기

위치 함수는 r⃗(t)=⟨220t,−16t2+1000⟩\vec r(t) = \left\langle 220t,-16t^2+1000\right\rangle 이다. yy 성분은 t=7.9t=7.9 일 때 0이고, r⃗(7.9)=⟨1739.25,0⟩\vec r(7.9) = \left\langle 1739.25,0\right\rangle 이므로 상자는 땅에 닿기 전까지 수평으로 약 1740ft 이동한다.

원본 교재 풀이(영어)

The position function is r⃗(t)=⟨220t,−16t2+1000⟩\vec r(t) = \left\langle 220t,-16t^2+1000\right\rangle . The yy-component is 0 when t=7.9t=7.9; r⃗(7.9)=⟨1739.25,0⟩\vec r(7.9) = \left\langle 1739.25,0\right\rangle , meaning the box will travel about 1740ft horizontally before it lands.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 25번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
89.APEX · 11.3절 · 42번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 포물선 운동(투사체 운동)의 원리에 바탕을 둔 여러 문제를 풀도록 요구한다.

미식축구 쿼터백이 6피트 높이에서 패스를 던져, 20야드 떨어진 곳에서 5피트 높이에 있는 리시버를 맞히려고 한다.

(a) 공을 50마일/시의 속력으로 던진다면, 목표를 맞히려면 올려 보는 각(앙각)이 얼마여야 하는지 구하세요. (b) 공을 올려 보는 각 8∘8^\circ 로 던진다면, 목표를 맞히려면 공의 처음 속력이 얼마여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A football quarterback throws a pass from a height of 6ft, intending to hit his receiver 20yds away at a height of 5ft.

(a) If the ball is thrown at a rate of 50mph, what angle of elevation is needed to hit his intended target? (b) If the ball is thrown at with an angle of elevation of 8∘8^\circ, what initial ball speed is needed to hit his target?

정답·풀이 보기

공의 위치 함수는 r⃗(t)=⟨(v0cos⁡θ)t,−16t2+(v0sin⁡θ)t+6⟩\vec r(t) = \left\langle (v_0\cos\theta)t,-16t^2+(v_0\sin\theta)t+6\right\rangle 이다. 여기서 θ\theta 는 올려 보는 각이고 v0v_0 는 공의 처음 속력이다.

(a) v0=73.33v_0 = 73.33피트/초일 때 가능한 올려 보는 각은 두 가지이다. θ=9.47∘\theta = 9.47^\circ 이면 공이 0.83초 만에 도달하고, 79.57∘79.57^\circ 이면 4.54.5초 만에 도달한다. (b) θ=8∘\theta=8^\circ 일 때 처음 속력은 53.8마일/시 ≈78.9\approx 78.9피트/초이어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

The position function of the ball is r⃗(t)=⟨(v0cos⁡θ)t,−16t2+(v0sin⁡θ)t+6⟩\vec r(t) = \left\langle (v_0\cos\theta)t,-16t^2+(v_0\sin\theta)t+6\right\rangle , where θ\theta is the angle of elevation and v0v_0 is the initial ball speed.

(a) With v0=73.33v_0 = 73.33ft/s, there are two angles of elevation possible. An angle of θ=9.47∘\theta = 9.47^\circ delivers the ball in 0.83s, while an angle of 79.57∘79.57^\circ delivers the ball in 4.54.5s. (b) With θ=8∘\theta=8^\circ, the initial speed must be 53.8mph≈78.9\approx 78.9ft/s.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 29번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
90.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)
91.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)
92.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)
93.CLP-4 · 1.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

질량이 100 kg인 스케이트보더가 반지름이 5 m인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 자유롭게 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 수직 높이 0 m와 3 m 사이를 왕복한다면, 이 계의 에너지 EE 는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A skateboarder of mass 100 kg is freely rolling in a frictionless circular culvert of radius 5 m. If the skateboarder oscillates between vertical heights of 0 and 3 m, what is the energy EE of the system?

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

스케이트보더는 yS=Emgy_S=\frac{E}{mg} 에서 다시 내려가기 시작하므로, 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} 을 풀어 E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J 를 얻는다.

참고: 스케이트보더가 배수로를 끝까지 한 바퀴 돌지 않으려면 지름이 3m보다 커야 했지만, r=5r=5 를 택하든 예를 들어 r=50r=50 을 택하든 답은 달라지지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

The skateboarder starts going back down at yS=Emgy_S=\frac{E}{mg}, so we solve 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} to find E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J

Remark: we needed the diameter to be greater than 3m for the skateboarder to not be going all the way around the culvert, but choosing r=5r=5 leads to an answer no different from, say, r=50r=50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 13번
# 공간에서의 운동계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
94.CLP-4 · 1.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

스케이트보더가 반지름이 5 m 인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 배수로를 한 바퀴 완전히 돌려면, 배수로의 맨 아래(y=0y=0)에서 속력이 얼마여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A skateboarder is rolling on a frictionless circular culvert of radius 5 m. What should their speed be when they're at the bottom of the culvert (y=0y=0) for them to make it all the way around?

정답·풀이 보기

교재에서, 스케이트보더가 한 바퀴 완전히 돌 조건은 52(5)≤Emg\frac{5}{2}(5) \le\frac{E}{mg} 이다. 에너지 EE 는 계의 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 로 주어진다. y=0y=0 일 때 에너지는 모두 운동 에너지이므로 E=12m∣v∣2E=\frac12m|\mathbf{v}|^2 이다. 여기서 ∣v∣|\mathbf{v}| 는 배수로의 맨 아래에서 스케이트보더의 속도이다.

따라서 다음을 푼다:

252≤Emg=12m∣v∣2m⋅9.8∣v∣≥59.8\begin{aligned} \frac{25}{2}&\le\frac{E}{mg}=\frac{\frac12m|\mathbf{v}|^2}{m\cdot9.8}\\ |\mathbf{v}|&\ge5\sqrt{9.8} \end{aligned}

따라서 59.85\sqrt{9.8} m/s 이상의 속력이 필요하다. (이는 약 56 km/h 이다.)

원본 교재 풀이(영어)

From the text, the skateboarder will make it all the way around when 52(5)≤Emg\frac{5}{2}(5) \le\frac{E}{mg}. Energy EE is given by E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, the sum of the kinetic and potential energy of the system. At y=0y=0, all the energy is kinetic, so E=12m∣v∣2E=\frac12m|\mathbf{v}|^2, where ∣v∣|\mathbf{v}| is the skater's velocity at the bottom of the culvert.

So, we solve:

252≤Emg=12m∣v∣2m⋅9.8∣v∣≥59.8\begin{aligned} \frac{25}{2}&\le\frac{E}{mg}=\frac{\frac12m|\mathbf{v}|^2}{m\cdot9.8}\\ |\mathbf{v}|&\ge5\sqrt{9.8} \end{aligned}

So, a speed of 59.85\sqrt{9.8} m/s or higher is needed. (That's about 56 kph.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 5번
# 공간에서의 운동활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
95.CLP-4 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

스키 선수가 언덕을 미끄러져 내려가고 있습니다. 이 언덕은 r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 로 나타낼 수 있고, 좌표는 킬로미터 단위로 잰 값입니다. 스키 선수가 공중으로 떠오르려면 얼마나 빠르게 움직여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A skier is gliding down a hill. The hill can be described as r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e, with coordinates measured in kilometres. How fast would the skier have to be moving in order to catch air?

정답·풀이 보기

교재의 식에 따르면 스키 선수는 다음일 때 공중에 뜬다. ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} 곡선의 방정식을 이용하여 κ\kappa 와 N^\hat{\mathbf{N}} 을 구한다.

gg 는 미터와 초 단위로 주어졌지만 다른 양은 킬로미터와 시간 단위임에 유의한다. 단위를 바꾸면, 9.89.8 m/s2^2 은 (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 시간)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ 시간}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2} 과 같다.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2주어진 구간에서 t 는 양수임에 유의한다.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{주어진 구간에서 $t$ 는 양수임에 유의한다.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

이제 지면의 “탈출 속도”를 구하는 데 필요한 값을 모두 얻었다.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

스키 선수는 언덕의 어디에서든 떠오를 수 있으므로, 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 일 때 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값보다 속도가 크기만 하면 된다. 그 최솟값을 구하기 위해 더 간단한 함수 g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t} 의 최솟값이 있는 위치를 찾는다. 미분법을 이용하면 t=1t=1 일 때 최소가 됨을 알 수 있다. 따라서 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값(즉, 떠오르기 위한 최소 속력)은 t=1t=1 에서 나타난다. 그러므로 최소 속력은 다음보다 커야 한다.

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 km/h\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ km/h} \end{aligned}

(스키를 타고 이 속력에 도달하기는 어려울 것이다. 더 크게 굽은 언덕을 찾기 전까지 스키 선수는 아마 땅에 붙어 있을 것이다.)

원본 교재 풀이(영어)

According to the equation in the text, the skier will become airborne when: ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} We'll use the equation of the curve to find κ\kappa and N^\hat{\mathbf{N}}.

Note that gg is given in metres per second, while the other quantities are in kilometres and hours. Converting, 9.89.8 m/s2^2 is the same as (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 hr)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ hr}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2Note t is positive in the interval in question.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{Note $t$ is positive in the interval in question.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

Now, we have all the pieces we need to find the “escape velocity" of the ground.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

Since the skier can take off anywhere on the hill, we just need their velocity to be larger than the smallest value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} when 1/e≤t≤e1/e \le t \le e. To find that minimum, we find the location of the minimum of the simpler function g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t}. Using first-semester calculus, we find it to occur when t=1t=1. So, the minimum value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} (that is, smallest speed to achieve lift-off) occurs at t=1t=1. We therefore need a minimum speed greater than:

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 kph\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ kph} \end{aligned}

(It seems unlikely that one could reach this speed on skis. The skier is probably earth-bound until they find a curvier hill.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 6번
# 공간에서의 운동계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
96.CLP-4 · 1.7절 · 13번대학 수준우리말 번역

마찰이 없는 롤러코스터 트랙은 매개변수 표현이  (acos⁡θ,asin⁡θ,bθ)\ (a\cos\theta,a\sin\theta,b\theta) 인 원형 나선의 한 바퀴 모양이다. 자동차가  θ=2π \ \theta=2\pi\ 인 점에서 속도 0으로 출발하여 중력을 받으며  θ=0\ \theta=0 인 점까지 움직인다. 뉴턴의 운동 법칙에 따라, 시각 tt 에서 자동차의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 는 다음을 만족한다.

mr′′(t)=N(r(t))−mgk^m \mathbf{r}''(t) = \mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}

여기서 mm 은 자동차의 질량, gg 는 상수, −mgk^-mg\hat{\mathbf{k}} 는 중력에 의한 힘이고, N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) 는 자동차가 트랙 위에 머물도록 롤러코스터 트랙이 자동차에 가하는 힘이다. 트랙에 마찰이 없으므로 N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) 는 항상 v(t)=drdt(t)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) 에 수직이다.

(a) E(t)=12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^E(t)=\tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}} 가 tt 에 관계없는 상수임을 보이세요. (이것을 “에너지 보존”이라고 한다.) (b) 점 θ\theta 에서의 속력 ∣v∣|\mathbf{v}| 가  ∣v∣2=2gb(2π−θ)\ |\mathbf{v}|^2=2gb(2\pi-\theta) 를 만족함을 보이세요. (c) θ=0\theta=0 에 도달하는 데 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

A frictionless roller-coaster track has the form of one turn of the circular helix with parametrization  (acos⁡θ,asin⁡θ,bθ).\ (a\cos\theta,a\sin\theta,b\theta). A car leaves the point where  θ=2π \ \theta=2\pi\ with zero velocity and moves under gravity to the point where  θ=0\ \theta=0. By Newton's law of motion, the position r(t)\mathbf{r}(t) of the car at time tt obeys

mr′′(t)=N(r(t))−mgk^m \mathbf{r}''(t) = \mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}

Here mm is the mass of the car, gg is a constant, −mgk^-mg\hat{\mathbf{k}} is the force due to gravity and N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) is the force that the roller-coaster track applies to the car to keep the car on the track. Since the track is frictionless, N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) is always perpendicular to v(t)=drdt(t)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t).

(a) Prove that E(t)=12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^E(t)=\tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}} is a constant, independent of tt. (This is called “conservation of energy”.) (b) Prove that the speed ∣v∣|\mathbf{v}| at the point θ\theta obeys  ∣v∣2=2gb(2π−θ).\ |\mathbf{v}|^2=2gb(2\pi-\theta). (c) Find the time it takes to reach θ=0\theta=0.

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 운동 법칙에 의해

E′(t)=ddt[12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^]=mv(t)⋅v′(t)+mgv(t)⋅k^=v(t)⋅[N(r(t))−mgk^]+mgv(t)⋅k^=0\begin{aligned} E'(t)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left[\frac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\right] =m\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{v}'(t)+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=\mathbf{v}(t)\cdot\big[\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}\big]+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=0 \end{aligned}

이다. v(t)⋅N(r(t))=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big)=0 이기 때문이다. 따라서 E(t)E(t) 는 tt 에 관계없는 상수이다.

(b) (a)에 의해

E(t)=E(0)  ⟹  12m∣v(t)∣2+mgbθ(t)=mg(2πb)  ⟹  ∣v(t)∣2=2gb(2π−θ(t))\begin{aligned} E(t)=E(0) \implies \tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg b\theta(t) = mg(2\pi b) \implies|\mathbf{v}(t)|^2=2gb\big(2\pi-\theta(t)\big) \end{aligned}

이다.

(c) θ=2π\theta=2\pi 에서 θ=0\theta=0 까지 가는 데 걸리는 시간을 구하려 한다. 먼저 dθdt\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 를 구한다.

v=drdt=drdθdθdt=(−asin⁡θ,acos⁡θ,b)dθdt  ⟹  ∣v∣2=[a2+b2](dθdt)2  ⟹  dθdt=−[∣v∣2a2+b2]1/2=−[2gb(2π−θ)a2+b2]1/2\begin{aligned} &\mathbf{v}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} =\big(-a\sin\theta,a\cos\theta,b\big)\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ &\implies |\mathbf{v}|^2=\big[a^2+b^2]\left(\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &\implies \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=-\left[\frac{|\mathbf{v}|^2}{a^2+b^2}\right]^{1/2} =-\left[\frac{2gb(2\pi-\theta)}{a^2+b^2}\right]^{1/2} \end{aligned}

θ\theta 는 2π2\pi 에서 0까지 감소해야 하므로 음의 부호를 택했다. 이때 걸리는 시간은

∫dt=∫2π0dtdθdθ=−[a2+b22gb]1/2∫2π01(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2∫02π1(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2[−2(2π−θ)1/2]02π=2[a2+b2gbπ]1/2\begin{aligned} \int dt&=\int_{2\pi}^0 \frac{dt}{d\theta}d\theta =-\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int_{2\pi}^0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta \\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int^{2\pi}_0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta\\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2} \left[-2(2\pi-\theta)^{1/2}\right]_0^{2\pi} =2\left[\frac{a^2+b^2}{gb}\pi\right]^{1/2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By Newton's law of motion

E′(t)=ddt[12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^]=mv(t)⋅v′(t)+mgv(t)⋅k^=v(t)⋅[N(r(t))−mgk^]+mgv(t)⋅k^=0\begin{aligned} E'(t)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left[\frac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\right] =m\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{v}'(t)+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=\mathbf{v}(t)\cdot\big[\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}\big]+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=0 \end{aligned}

since v(t)⋅N(r(t))=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big)=0. So E(t)E(t) is a constant, independent of tt.

(b) By part (a),

E(t)=E(0)  ⟹  12m∣v(t)∣2+mgbθ(t)=mg(2πb)  ⟹  ∣v(t)∣2=2gb(2π−θ(t))\begin{aligned} E(t)=E(0) \implies \tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg b\theta(t) = mg(2\pi b) \implies|\mathbf{v}(t)|^2=2gb\big(2\pi-\theta(t)\big) \end{aligned}

(c) We wish to determine the time it takes to go from θ=2π\theta=2\pi to θ=0\theta=0. We'll first determine dθdt\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}.

v=drdt=drdθdθdt=(−asin⁡θ,acos⁡θ,b)dθdt  ⟹  ∣v∣2=[a2+b2](dθdt)2  ⟹  dθdt=−[∣v∣2a2+b2]1/2=−[2gb(2π−θ)a2+b2]1/2\begin{aligned} &\mathbf{v}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} =\big(-a\sin\theta,a\cos\theta,b\big)\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ &\implies |\mathbf{v}|^2=\big[a^2+b^2]\left(\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &\implies \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=-\left[\frac{|\mathbf{v}|^2}{a^2+b^2}\right]^{1/2} =-\left[\frac{2gb(2\pi-\theta)}{a^2+b^2}\right]^{1/2} \end{aligned}

We have chosen the negative sign because θ\theta must decrease from 2π2\pi to 0. The time required to do so is

∫dt=∫2π0dtdθdθ=−[a2+b22gb]1/2∫2π01(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2∫02π1(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2[−2(2π−θ)1/2]02π=2[a2+b2gbπ]1/2\begin{aligned} \int dt&=\int_{2\pi}^0 \frac{dt}{d\theta}d\theta =-\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int_{2\pi}^0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta \\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int^{2\pi}_0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta\\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2} \left[-2(2\pi-\theta)^{1/2}\right]_0^{2\pi} =2\left[\frac{a^2+b^2}{gb}\pi\right]^{1/2} \end{aligned}

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