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일정한 속력 $v$로 움직이는 컨베이어 벨트 위로 질량 $m$인 상자가 떨어진다. 상자를 컨베이어 벨트와 같은 속력으로 움직이게 만드는 동안 컨베이어 벨트의 모터가 한 일에 대한 다음 두 주장 중 옳은 것은?

성소: 컨베이어 벨트와 상자 사이의 마찰($F$)에 의해서 상자가 움직이는데, 상자가 속력 $v$가 되는 동안 움직인 거리가 $v^2-0=2ax=2(F/m) x$에서 $x= mv^2/(2F)$이므로, 한 일은 $W=Fx=mv^2/2$이다.

설현: 떨어진 상자의 속력이 $v$로 되는데 걸리는 시간이 $t=v/a=mv/F$고, 그동안 컨베이어 벨트는 일정한 속력 $v$로 움직이므로 벨트의 이동거리는 $d=vt=mv^2/F$다. 따라서 한 일은 $W=Fd=mv^2$이다.

벨트와 같이 움직이는 관찰자는 어떻게 생각할까?

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  1. hgmhc 2020.11.23 18:18 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    성소가 맞는 것 같슴다..!
    캐릭터 선정이 한결 같으시네요 ㅋㅋ

마찰력의 방향은?

Physics 2020. 11. 3. 10:14
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상자를 벽에서 떨어지지 않게 밀고 있다(팔 방향으로 힘 작용). 상자에 작용하는 마찰력의 방향은?

1. 위쪽

2. 아래쪽

3. 알 수 없다.

 

 

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  1. hgmhc 2020.11.03 15:40 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    3, 알 수 없다!!

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버스가 갑자기 가속을 하면 서 있는 사람은 넘어질 수 있다. 어느 정도의 가속도에서 넘어질까? 넘어지는 기준은 가속도 방향의 발이 바닥에서 떨어질 조건과 같다. (물론 실제 상황에서는 몸을 다시 움직여서 안 넘어지려는 시도를 할 수 있지만, 여기서는 사람을 딱딱한 강체로 근사한다. 또한 미끄러짐은 생각하지 않는다)

 

 

사람에 작용하는 힘은 자신의 무게(무게 중심이 바닥에 $h$ 높이에 있다)와 양발에 작용하는 수직항력(두 발의 간격 = $d$)과 차와 같이 움직이게 하는데 필요한 마찰력이 있다. (그냥 서있어서 손잡이에 의한 힘은 무시한다) 사람의 자유물체도는 아래와 같다:

 

미끄러지지 않는다고 가정하면 사람의 질량중심은 버스와 같은 가속도로 움직인다. 질량중심의 운동 방정식과 질량중심에 대한 회전 운동 방정식을 고려하면(질량중심에 대해서 $f_1$, $f_2$, $N_2$는 반시계 방향으로 회전시키려하고 $N_1$은 시계 방향으로 회전시키려 한다. 넘어지지 않은 상황에서는 이들 토크 사이에 균형이 있어야 한다)

 

미지수는 $f_1$, $f_2$, $N_1$, $N_2$로 4개인데 식은 3개여서 미지수가 완전히 결정이 안되지만 수직항력은 구할 수 있다.

 

넘어지지 않기 위해서는 양발에 걸리는 수직항력이 0 보다 커야 한다. $N_1$은 항상 양수이므로 $N_2 \ge 0$ 조건에서 넘어지지 않을 최대 가속도는 

 

.

사람의 질량중심이 낮을수록($h$), 두 발을 넓게 벌릴수록($d$) 더 큰 가속도에 넘어지지 않고 견딜 수 있다. 그리고 몸무게에는 무관하다.

$h=100cm, d=50cm$ -> $a =2.45 m^2/s$: 100미터를 9초에 도달할 수 있는 가속도

 

 

 

 

 

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바닥에 놓인 냉장고를 밀면 냉장고는 바닥의 상태에 따라서 미끄러지거나 또는 넘어진다. 

 

미끄러지는 경우는 미는 힘(수평 성분)이 정지 마찰력의 최댓값$(f_{max})$보다 더 커야 한다.

$$f_{max} = \mu_s Mg \quad \rightarrow \quad F \ge \mu_s Mg.$$

미끄러지지 않고 넘어지는 경우는 오른쪽 아래를 회전축으로 넘어지는데, 넘어지기 직전에는 마찰력(수평)과 수직항력(수직)은 오른쪽 끝에 몰린다. 이 회전축을 기준으로 하면 냉장고 무게는 반시계 방향의 토크를 만들고, 미는 힘은 시계방향을 토크를 만든다(마찰력과 수직항력은 이 회전축에 대해서는 모멘트 팔=0이어서 토크를 만들지 않는다). 미는 힘에 의한 토크가 중력이 만드는 토크보다 더 크면 넘어진다.

 

넘어지기 직전 냉장고의 FBD

$$ \sum\tau_R =Fd - Mg \frac{W}{2}\ge 0 \quad \rightarrow \quad F \ge \frac {W}{2d} Mg.$$

 

넘어지기 전에는 물체의 밑면이 바닥에 닿고 있는데 이때 마찰력과 수직항력은 어디에 작용할까?

더보기

넘어지기 직전이 아닌 경우는 일반적으로 수직항력(따라서 마찰력)은 바닥 전체 면적에 퍼져서 작용한다. 그렇지만 왼쪽에서 밀면 오른쪽에 더 많이 수직항력이 걸릴 것이다. 이 수직항력이 한 지점에 평균적으로 작용한 것으로 생각할 수 있는데, 그 지점에서 오른쪽 모서리까지 거리를 $x$라면 넘어지기 전에는 $x\gt 0$이 될 것이다. 따라서 넘어지기 전 상황을 고려하면 평형이므로(이 경우엔 수직항력이 토크에 기여한다. 마찰력은 여전히 모멘트 팔=0이어서 기여 없다:어느 지점에 작용하는가를 물어볼 필요가 없다)

$$ \sum \tau_R = Fd -Mg\frac{W}{2} + Nx = 0$$

여기서 넘어지려면 $$x=\frac{ \frac {1}{2} MgW -Fd }{N}\le 0$$

이어서 위와 같은 결론을 얻는다.

 

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감긴 줄을 그림에 표시된 방향으로 당길 때 실패는 어느 방향으로 구르는가? 물리법칙을 이용해서 설명할 수 있는가? 첫 번째는 명확하다... 두 번째와 세 번째는?

각 경우 마찰력의 방향은? 

 

유튜브 동영상을 볼까요?

동영상을 보면 구르지 않고 끌려오는 경우가 있다. 어떤 조건에서 이러한 현상이 생길까?

 

 

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