수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

(가) 식③,즉 x(t)=x0cosωt\displaystyle x ( t ) = x_{{0}} \cos \omega tx(t)\displaystyle x ( t )의 시간에 대한 2계도함수 d2xdt2=ω2x0cosωt\displaystyle \frac{d^2x}{dt^2} = - \omega ^{{2}} x_{{0}} \cos \omega t를 식①에 대입하면

d2xdt2+ω2x=ω2x0cosωt+ω2x0cosωt=0\displaystyle \frac{d^2x}{dt^2}+\omega^2x=-\omega^2x_0\cos\omega t+\omega^2x_0\cos\omega t=0 ―― (1)

이고

x(0)=x0cos(ω0)=x0\displaystyle x(0)=x_0\cos(\omega\cdot0)=x_0 ―― (2)

dxdtt=0=ωx0sin(ω0)=0\displaystyle \left.\frac{dx}{dt}\right|_{t=0}=-\omega x_0\sin(\omega\cdot0)=0 ―― (3)

(나) i) ③의 진동수는 f=ω2π\displaystyle f=\frac{\omega}{2\pi}이고 ②에서 ω=km\displaystyle \omega=\sqrt{\frac km}이므로

f=12πkm.\displaystyle f=\frac1{2\pi}\sqrt{\frac km}.

ⅱ) m\displaystyle m이 두 배 증가하면 진동수는 12\displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}}배가 된다.

ⅲ) k\displaystyle k가 두 배 증가하면 진동수는 2\displaystyle \sqrt{2}배가 된다.

ⅳ) 진동수는 질량 m\displaystyle m과 용수철 상수 k\displaystyle k로만 표현되어 초기변위 x0\displaystyle x_{{0}}와 무관하므로 x0\displaystyle x_{{0}}가 두 배로 증가해도 진동수에는 변화가 없다.

(다) 여기서는 x(t)\displaystyle x(t)Ω\displaystyle \Omega의 함수로 보아야 하는 문제이므로 Ω\displaystyle \Omega에 대한 로피탈의 정리를 이용하면

limΩωx(t)=limΩωf0(ωsinΩtΩsinωt)ω(ω2Ω2)=f0(ωtcosΩtsinωt)2ωΩΩ=ω=f02ω2(sinωtωtcosωt).\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\Omega\to\omega}x(t)&=\lim_{\Omega\to\omega}\frac{f_0(\omega\sin\Omega t-\Omega\sin\omega t)}{\omega(\omega^2-\Omega^2)}\\&=\left.\frac{f_0(\omega t\cos\Omega t-\sin\omega t)}{-2\omega\Omega}\right|_{\Omega=\omega}\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}(\sin\omega t-\omega t\cos\omega t).\end{aligned}

(라) (다)의 결과에서

x(t)=f02ω2(sinωtωtcosωt)=f02ω21+ω2t2(11+ω2t2sinωtωt1+ω2t2cosωt)=f02ω21+ω2t2(cosαsinωtsinαcosωt)=f02ω21+ω2t2sin(ωtα)\displaystyle \begin{aligned}x(t)&=\frac{f_0}{2\omega^2}(\sin\omega t-\omega t\cos\omega t)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}\left(\frac1{\sqrt{1+\omega^2t^2}}\sin\omega t-\frac{\omega t}{\sqrt{1+\omega^2t^2}}\cos\omega t\right)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}(\cos\alpha\sin\omega t-\sin\alpha\cos\omega t)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}\sin(\omega t-\alpha)\end{aligned}

삼각함수 합성에 쓰인 직각삼각형과 각 alpha.

[참고] sin(x±y)=sinxcosy±cosxsiny\displaystyle \sin \left( x ± y \right) = \sin x \cos y ± \cos x \sin y

이고, 여기서 tanα=ωt\displaystyle \tan \alpha = \omega t이다. 따라서 x(t)\displaystyle x \left( t \right)의 진폭은 시간의 함수 f02ω21+ω2t2\displaystyle \frac{{f_{{0}}}}{{2 \omega^{{2}}}} \sqrt{{1 + \omega^{{2}} t^{{2}}}}이고 이는 시간에 대한 증가함수이므로 공진이 발생한다.

(마) (i) 특정한 진동수의 지진에 의한 건물의 공진을 감소시키기 위해서는 건물의 고유진동수가 지진의 진동수로부터 멀어져야 한다. 그런데 건물의 고유진동수는 질량 m\displaystyle m과 건물의 강성 또는 탄성을 나타내는 용수철 상수 k\displaystyle k와 관계되므로(k=F/x\displaystyle k = F / x에서 k\displaystyle k는 단위 변형당 가해지는 힘이므로 건물의 탄성을 줄이거나 강성을 증가시키면 k\displaystyle k값이 증가한다.) 건물의 질량 m\displaystyle mk\displaystyle k로 나타나는 탄성 또는 강성을 변화시켜 공진을 줄일 수 있다.

ii) 따라서 건물의 질량을 변화시키거나 건물의 탄성 또는 강성을 변화시키는 합리적인 행위를 모두 답으로 간주한다. 보조재를 추가하여 기둥을 보강하고, 바닥판과 건물의 결합을 강화하고, 트러스(truss), 브레이싱(bracing)등의 공법으로 구조물의 결합력을 높이는 것 등이 예가 될 것이다.

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