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가벼운 막대로 연결된 두 물체가 그림처럼 v0 속력으로 바닥에 탄성충돌을 한다(θ=30). 충돌 직후 질량중심의 속도는?

1. 17v0

2. 27v0

3. 37v0

4. 47v0

 

오른쪽 물체는 언제 바닥에 충돌하는가?

 

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충돌하는 왼쪽 물체를 기준으로 잰 각운동량은(충돌 시 왼쪽 물체가 바닥에서 받은 impulsive force에 의한 토크 기여가 없는 지점) 충돌 직전/직후 보존된다(중력은 non-impulsive이므로 충돌 직전-직후의 각운동량에 영향을 주지 못한다). 충돌 직후 질량중심의 위쪽 방향 속도를 v, 시계방향 회전 각속도를 ω라 하면,

Li=Lf:  (2m)v0L2cosθ=(2m)(v)L2cosθ+mL22ω

탄성충돌이므로 충돌 직전과 충돌 직후(cm 이동 + 회전) 왼쪽 물체의 바닥에 대한 상대속도의 크기는 같아야 한다:

v0=cm-vel+rot about cm=v+ωL2cosθ

둘을 정리하면, 

v=v0sin2θ1+cos2θ

ω=4v0Lcosθ1+cos2θ

 

 
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둥근 얼음 언덕 위에서 출발하는 물체가 얼음 언덕을 떠나는 위치는 수평 속도 성분(vx)이 최대가 되는 지점이다. 물체가 받는 수직항력 때문에 속도의 수평 성분은 증가한다. 따라서 수직항력이 사라지게 되면 물체의 수평 성분의 변화가 없어지기 때문에 그 지점에서 최댓값이 된다. 얼음 언덕의 반지름을 R이라면 역학적 에너지 보존에서

v=2gR(1cosθ)을 얻으므로 수평 성분은

vx=2gR(1cosθ)cosθ

로 주어진다. dvx/dθ=0을 찾으면

cosθ=23(θ=48.19)으로 주어진다.

 

얼음 언덕이 놓인 바닥이 매끄러운 경우는 어떨까? 물체가 내려가면 언덕도 왼쪽으로 밀리게 된다. 이 경우 물체가 언덕을 떠나는 각은 어떻게 변할까?

 

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얼음 언덕의 질량=물체의 질량인 경우만 다루자. 언덕이 왼쪽으로 u의 속력으로 밀릴 때, 언덕과 같이 움직이는 관찰자가 보면 물체는 언덕을 따라 원운동을 하므로 그 접선 속력을 v라 하자. 그러면 수평 운동량 보존에서 

mu=m(vcosθu).

그리고 역학적 에너지 보존에서 (지상계) 

mgR(1cosθ)=12mu2+12m(u2+v22uvcosθ)

를 얻는다. 물체가 떠나는 시점에서 언덕은 더 이상 힘을 받지 않으므로 등속운동을 시작한다. 이 시점에서 얼음 언덕과 같이 움직이는 관찰자가 보면 물체는 언덕에서 원운동을 끝내는 시점이다(수직항력=0 관성계). 따라서 구심력 역할은 중력의 중심성분이 한다.

mgcosθ=mv2R. 

위 3 식을 정리하면

cos36cosθ+4=0을 얻고, 근은 cosθ=31  

또는 직접 v을 구하면

v=4gR(1cosθ)2cos2θ

이므로 수평성분 vcosθ의 최대가 되는 각을 구해도 같은 결과를 얻는다.

 
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중력 새총

Physics/역학 2022. 1. 24. 11:45

먼 곳에서 v의 속력으로  달에 접근하는 우주선이 달(속력: U)의 중력에 의해서 그림과 같은 궤도를 그리면서 움직인다(궤도는 이심률이 매우 큰 타원으로 간주한다). 다시 우주선이 달에서 충분히 멀어졌을 때 속력은 얼마쯤 될까? 단, 달의 질량은 우주선에 비해 매우 크다고 생각할 수 있다.

1. v

2. v+U

3. v+2U

 

우주선의 속력이 증가했다면 누가 에너지를 제공한 것인가?

 

https://www.youtube.com/watch?v=E01J_uAPM64 

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