Physics 1307 Practice Quiz 5 Chapter 5 Solutions

Report 7 Downloads 350 Views
Physics 1307   Practice Quiz 5 Chapter 5 Problem 1   A roller­coaster vehicle has a mass of 500 kg when fully loaded with passengers. (a) If the vehicle has a speed of  20 m/s at point a, what is the force of the track of the vehicle at this point? (b) What is the maximum speed the  vehicle can have at point b for gravity to hold it in the track? 

b + 15 m 10 m

a Problem 2  Io a satellite of Jupiter has an orbital period of 1.77 days and an orbital radius of  4.22 ×10 5 km . From these  data, determine the mass of Jupiter. 

 Solutions (a) Let us analyze the forces on the roller coaster vehicle at point a: 

FN

mg 1/2

Observing the figure we can deduce that the cart is moving in circular motion, thus:  F N − mg = m

v2

where we  R have assigned a positive sign to the centripetal acceleration since points upward. Remember the centripetal force is   not an extra force is just Newton's second law applied to circular motion. The force of the track is equal to the  normal force so we get :  F N =mgm

v2 R

=500 kg

[

20 m/ s 2 10 m

2

]

9.8 m/ s =24900 N

(b) The forces at b are quite similar, the only difference is the direction of the centripetal acceleration that this time  v2 F −mg=−m is negative so:    .  The maximum speed is reached when the normal force is zero  (why?)  N R therefore   Rg=v=12 m/s

Problem 2 Kepler's third law states that 

r3 T2

=constant . The value of this constant can be deduced using Newton's laws 

(see textbook page 203) and it is equal to   r3 2

M=

r 3 4 2 GT

2

=

=

GM 4

2

, where M is the mass of the central body. So we are ready !

GM

T 4 2 4.22×108 m3 4 2 7×10 −11 N m2 / kg2 [ 1.77 days86400 s/1 day ]

2/2

2

=1.81×10 27 kg