반지름 $R$인 훌라후프가 반지름이 $R/2$인 사람 허리를 축으로 일정하게 돌고 있다. 훌라후프 중심이 돌아가는 각속도가 $\omega$일 때 운동에너지는 어떻게 표현되는가? 후프의 회전관성은 $MR^2$이다.

1. $\frac{5}{8} MR^2 \omega^2$

2. $MR^2\omega^2$

3. 이중에 답이 없다.

 

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훌라후프의 순간적인 회전축은 원기둥의 중심이다.

원기둥의 중심에 대한 회전관성은 $I_{AOIR} = MR^2 + M(R/2)^2=\frac{5}{4}MR^2$이므로

$$ K = \frac{1}{2}I_{AOIR}\omega^2 = \frac{5}{8}MR^2 \omega^2$$

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반지름 $R$인 둥근 언덕에서 반지름 $r$인 실린더가 미끄러짐 없이 굴러 내려온다. 접촉점이 수직과 이루는 각이 $\theta$일 때 실린더는 얼마나 회전한 것인가?

1. 중심이 움직인 각도에서: $\theta$

2. 접촉점이 움직인 거리에서 $\frac {R+r}{r}: \theta$

3. 기어비에서: $\frac{R}{r}\theta$

 

아래의 경우는 어떻게 될까?

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그림처럼 같은 질량의 고리와 물체가 줄로 연결되어 있다. 줄이 팽팽한 상태에서 물체가 떨어지기 시작한다. 물체가 가장 아래에 내려왔을 때 줄의 장력은 $mg$의 몇 배일까?

1. 1

2. 2

3. 3

4. 4

5. 5

 

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외력은 수직방향의 힘 밖에 없으므로 질량중심은 수직운동만 한다. 그리고 가장 아래에 내려왔을 때 두 물체의 속도는 크기는 같고 ($v$) 방향(수평방향)은 반대이다). 이 순간 고리에 작용하는 알짜힘은 0이어서 가속도가 0이므로 고리와 같이 움직이는 좌표계에서 보면 줄에 매달린 물체는 왼쪽으로 $2v$의 속력으로 순간적인 원운동을 한다. 역학적 에너지 보존을 쓰면 $ v^2 =gL$임을 알 수 있고, 물체의 원운동식을 쓰면

$$ T-mg = m \frac{(2v)^2 }{L} ~~\text{고리 좌표계} \quad \therefore ~ T = 5mg$$

 
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