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질량 m, 길이 L인 막대 4개의 끝을 연결해서 정사각형을 만든 후 중앙을 통과하는 축에 대해 회전을 시킨다. 막대와 막대를 연결하는 지점(꼭짓점)에 작용하는 힘의 크기는?

1. mLω2/2

2. mLω2/2

3. mLω2

4. 2mLω2

5. 2mLω2

 

* https://kipl.tistory.com/447의 풀이:

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수직과 이루는 각이 θ일 때 질량중심이 반지름 r=L/2인 원 위에 있음을 고려하면(x=rsinθ,y=rcosθ)하면 막대의 운동에너지는 질량중심의 원운동과 질량중심에 대한 회전운동이 기여하므로

K=12m(r˙θ)2+12mr23(˙θ)2=12m(r˙θ)2(1+η),    η=13

이다. θ일 때 위치에너지의 감소가 ΔU=mgr(1cosθ)이므로,

12m(r˙θ)2(1+η)=mgr(1cosθ)

따라서 질량중심의 속력은

v=r˙θ=2gr1+η1cosθ=3gr21cosθ

막대가 벽에서 떨어지면 수평방향의 외력이 사라지므로 수평 속도 성분은 일정해지고 또 최댓값을 갖는다.

Nw=0    vx=vcosθ=max

dvx/dθ=0에서 벽에서 분리되는 각도는

cosθ=23   or  θ48.2

로 주어짐을 알 수 있다. 그리고 그때 수평속도는

max(vx)=2gr3=gL3

으로 주어진다.

 
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