Processing math: 31%

두 개의 동일한 실린더 그림과 같이 쌓여 있다. 밑에 있는 실린더에 오른쪽으로 살짝 충격을 주어 움직이게 만든다. 아래 실린더가 가질 수 있는 최대속력은? 바닥, 벽, 실린더 사이의 마찰은 무시할 수 있다.

풀이: 

더보기

마찰이 없으므로 실린더의 회전운동은 없고, 위 실린더는 아래로 내려가는 운동을, 아래 실린더는 수평운동만 한다.  두 실린더가 접촉을 하는 동안 위쪽 실린더의 중심 높이를 y, 내려가는 속력은 vy, 아래쪽 실린더의 수평위치를 x, 수평속도를 vx, 그리고 두 실린더의 중심을 연결하는 선분이 수평과 이루는 각을 θ라면

x=R+2Rcosθ,   y=R+2Rsinθ

vx=2Rsinθdθdt,   vy=2Rcosθdθdt
역학적에너지 보존을 이용하면 

12M(v2x+v2y)=2MgR(1sinθ)

  v2x+v2y=4gR(1sinθ)

  (dθdt)2=gR(1sinθ)

따라서

dvx2dt=4Rgcosθ(2sinθ3sin2θ)dθdt=2vxdvxdt

  dvxdt=gcosθ(3sinθ2)이므로 sinθ=23

일 때 최댓값에 도달한다.

(vx)max=433Rg

아래쪽 실린더는 위쪽 실린더가 접촉면에서 누르는 힘(R)의 수평성분에 의해 가속이 되는데 θ=sin1(2/3)에서 두 실린더의 접촉이 없어지므로 수평성분의 변화가 생기지 않는다.

Rx=Mdvxdt=Mgcosθ(3sinθ2)

윗쪽 실린더에 대해서도 확인하면,

vy2=4Rgcos2θ(1sinθ)

Mdvydt=Mg+Ry

  Ry=Mg+Mdvydt=Mgsinθ(3sinθ2)어서 Ry도 0이 됨을 알 수 있다.

728x90
,

막대의 한쪽 끝을  매우 서서히 위로 밀어서 세우려 한다. 힘 방향이 막대에 항상 수직이게 작용할 때 바닥에 접촉하는 막대의 끝이 미끄러지지 않으려면 마찰계수는 얼마이어야 하는가?

풀이:

더보기

매우 서서히 움직인다고 했으므로 준정적평형상태(quasistatic equilibrium)로 생각할 수 있다. 막대(길이=, 무게=W)가 수평과 θ 각을 이룰 때 작용하는 힘을 F(가변적이다)라면

Fx=fFsinθ=0

Fy=FcosθW+N=0

τpivot=FW2cosθ=0 여기서 미끄러짐이 없기 위해서는 f<μN을 만족해야 하므로

μ>fN=FsinθWFcosθ=sinθcosθ2cos2θ

우변의 최대값이 122이므로 바닥과의 정지마찰계수는 이보다 커야 한다.

728x90

'Physics > 역학' 카테고리의 다른 글

링이 위로 튈 수 있는 조건은?  (6) 2025.01.04
실린더의 최대속력은?  (0) 2025.01.03
체인이 움직이는 속력은?  (1) 2025.01.02
막대진자의 최소 진동 주기는?  (0) 2024.12.31
물체의 가속도는?  (0) 2024.12.28
,