(풀이자주:풀이에 도형의 회전관성이 필요합니다. 관련한 내용은 별도의 링크로 분리했습니다. 해당 도형의 회전관성을 구하는 법에 관한 이해는 현재과정에서의 필수는 아니니 결론만 보고 건너뛰어도 무방합니다.)
https://solutionpia.tistory.com/800
$$I_{\text{Solid Sphere}}=\frac{2}{5}MR^2,$$
$$ \put \begin{cases}
i : \text{Start}\\
Q : \text{Q Point}\\
H : \text{Highest Point}\\
\end{cases} $$
$$ \begin{cases}
m&=0.340\ut{g}\\
v_i&=0\\
R&=21.0\ut{cm}\\
g&=9.80665\ut{m/s^2}\\
\end{cases} $$
$$\ab{a}$$
$$N_H\ge0,$$
$$ \begin{aligned}
\Sigma F_H&={m{v_H}^2\over R}\\
mg+N_{H}&={m{v_H}^2\over R}\\
N_{H}&={m{v_H}^2\over R}-mg\ge0\\
\end{aligned} $$
$$ \begin{aligned}
{{v_H}^2\over R}-g&\ge0\\
{{v_H}^2}&\ge gR\taag1\\
\end{aligned} $$
$$\Delta \Sigma E=0,$$
$$v=\omega r,$$
$$ \begin{aligned}
0&=mg\Delta y_{i\rarr H}+{1\over2}I\Delta \br{{\omega}^2}+{1\over2}m\Delta \br{{v}^2}\\
&=mg\br{2R-h}+{1\over2}I {{\omega_H}^2}+{1\over2}m{{v_H}^2}\\
&=mg\br{2R-h}+{1\over2}\br{\frac{2}{5}mr^2} {\br{v_H\over r}^2}+{1\over2}m{{v_H}^2}\\
&=mg\br{2R-h}+{7\over10}m{{v_H}^2}\\
&=g\br{2R-h}+{7\over10}{{v_H}^2}\\
\end{aligned} $$
$${{v_H}^2}={10\over7}g\br{h-2R}\taag2$$
$$ \begin{aligned}
{{v_H}^2}={10\over7}g\br{h-2R}&\ge gR\\
{10\over7}\br{h-2R}&\ge R\\
\end{aligned} $$
$$ \begin{aligned}
h&\ge \br{2+{7\over10}}R={27\over10}R\\
&\ge {576\over10}\ut{cm}= 57.6\ut{cm}\\
\end{aligned} $$
$$\ab{b}$$
$$ \begin{aligned}
0&=mg\Delta y_{i\rarr Q}+{1\over2}I\Delta \br{{\omega}^2}+{1\over2}m\Delta \br{{v}^2}\\
&=mg\br{R-h}+{1\over2}I {{\omega_Q}^2}+{1\over2}m{{v_Q}^2}\\
&=mg\br{R-6R}+{1\over2}\br{\frac{2}{5}mr^2} {\br{v_Q\over r}^2}+{1\over2}m{{v_Q}^2}\\
&=mg\br{-5R}+{7\over10}m{{v_Q}^2}\\
&=-5gR+{7\over10}{{v_Q}^2}\\
\end{aligned} $$
$$ {v_Q}^2={50\over7}gR, $$
$$\Sigma F_Q={m{v_Q}^2\over R}$$
$$ \begin{aligned}
N_{Q}
&={m\over R}\cdot{50\over7}gR\\
&={50\over7}mg\\
&=23.81615\times10^{-3}\ut{N}\\
&\approx 23.8\times10^{-3}\ut{N}\\
&\approx 23.8\ut{mN}\\
\end{aligned} $$
$$\ab{c}$$
$$\text{Left}$$
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