Physics 1307 Practice Quiz 7 Chapter 10 3.6cm2 1/2

Report 476 Downloads 839 Views
Physics 1307  Practice Quiz 7 Chapter 10 Problem I : Bone Fracture A compressive force of   3.6×10 4 N is exerted on the end of a 20­cm­long bone of cross sectional area of 

3.6 cm2 , (a) will the bone break, and (b) if not,  by how much does it shorten? 6  ( The ultimate compressive strength of bone is about    170×10 9 order of  15×10

N m

2

N m

2

 and the Young modules of bone is of the 

)

Problem II: Jane to the rescue Tarzan stands on a branch as a leopard threatens. Fortunately, Jane is on a nearby branch of the same hight holding  a 25­m­long vine attached directly above the point midway between her and Tarzan. How soon does she reach  Tarzan. Problem III: Piston motion In an engine, a piston oscillates with simple harmonic motion so that its position varies according to the expression  x=5.00cm cos2t  where x is in centimeters and t is in seconds. At  t=0, (a) find the position of the  6 piston, (b) its velocity, and (c) its acceleration. (d) Find the period and amplitude of the motion.    SOLUTIONS Problem I To know if the bone is going to break we need to find if the stress is bigger than the ultimate compressive strength  of bone. This is easily done: F 3.6×10 4 N N comp = = =108 2 −4 2 A 3.6 x 10 m m 6 which is less than  170×10

N m

2

. Thus the bone will not break. To find how much shortens we need to use the 

definition of the Young's modulus:  Y =

F/A  l/l o

. Solving for   l we find:

1/2

 l=

F l0 AY

=

3.6×10 4 N 0.20 m 9

15×10

N m2

3.6×10 m −4

=0.0013 m=1.3 mm 2

Problem II This problem is about a pendulum, which we identify as consisting of Jane and the vine. The period of the  pendulum is the time for a full swing back and forth, so the answer we are after is half the period. Then: 1 25 m L T= 2 = =5.0 s   2 2 2 g 9.8 m/ s 1

 

Problem III Note that to obtain the correct values of the trigonometric functions you need to work with the angles given  in radians.   (a)  The   position  at   any  time  is   x=5.00 cmcos 2t 6  .   At  t=0,  the   position  of   the   piston  is   given   by   x t=0 =5.00 cmcos =4.33cm , i.e we just evaluated the function in the particular time required by the  6 problem. (b) The velocity is given by the derivative of the position with respect to time:    vt =−5.00 cm2Hzsin2t 6  .  Thus the velocity at time t=0, is equal to:    v t=0 =−5.00 cm2Hzsin  6 =−8.66 cm/ s .  2 (c)   Similarly   for   acceleration   we   have   a t=− 5.00 cm2Hz cos 2t 6  and   therefore   a t=0 =−5.00 cm2Hz2 cos  =−17.32 cm/ s2 . 6 (d) The amplitude is given by the coefficient of the trigonometric function in x(t). Then A=5.00 cm.  The period is  2 2 =s . (Remember that the angular frequency   is given by the factor that multiplies the  just   T =  = 2 Hz time t in the argument of the trigonometric function)

2/2