Physics For Scientists And Engineers 6E - part 18

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  16  17  18  19   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 18

 

 

Finally, displacement 

c, whose magnitude is 195 km, has the

components

c

x

"

cos(180$) " (195 km)(# 1) " # 195 km

c

y

"

sin(180$) " 0

Therefore,  the  components  of  the  position  vector 

R from

the starting point to city C are

R

x

"

a

x

%

b

x

%

c

x

"

152 km # 52.3 km # 195 km

R

y

"

a

y

%

b

y

%

c

y

"

87.5 km % 144 km % 0 " 232 km

#

95.3 km

"

Solution The resultant displacement for the trip 

R " A % B

has components given by Equation 3.15:

In unit–vector form, we can write the total displacement as

Using Equations 3.16 and 3.17, we find that the vector 

R

has a magnitude of 41.3 km and is directed 24.1° north of
east.

Let  us  finalize.  The  units  of 

R are km,  which  is  reason-

able for a displacement. Looking at the graphical represen-
tation in Figure 3.19, we estimate that the final position of
the hiker is at about (38 km, 17 km) which is consistent with
the components of 

R in our final result. Also, both compo-

nents of 

R are positive, putting the final position in the first

quadrant of the coordinate system, which is also consistent
with Figure 3.19.

(37.7ˆ

i % 16.9ˆj) km

R "

16.9 km

R

y 

"

A

y

%

B

y

" #

17.7 km % 34.6 km "

37.7 km

R

x 

"

A

x

%

B

x

"

17.7 km % 20.0 km "

SECTION 3.4 •  Components of a Vector and Unit Vectors

69

Figure 3.19 (Example 3.5) The total displace-

ment of the hiker is the vector B.

y(km)

x(km)

60.0

°

B

45.0

° 20

30

40

50

Tower

R

Car

0

20

10

–10

–20

Tent

A

E

N

S

W

Example 3.6 Let’s Fly Away!

B

A

50

100 150 200

y(km)

150

250

200

100

50

110

°

20.0

°

30.0

°

c

b

a

R

C

x(km)

E

N

S

W

(B)

Determine the components of the hiker’s resultant dis-

placement 

R for the trip. Find an expression for R in terms

of unit vectors.

34.6 km

B

y

"

B sin 60.0$ " (40.0 km)(0.866) "

20.0 km

B

x 

"

B cos 60.0$ " (40.0 km)(0.500) "

A commuter airplane takes the route shown in Figure 3.20.
First, it flies from the origin of the coordinate system shown
to city A, located 175 km in a direction 30.0° north of east.
Next, it flies 153 km 20.0° west of north to city B. Finally, it
flies  195 km  due  west  to  city  C.  Find  the  location  of  city  C
relative to the origin.

Solution Once again, a drawing such as Figure 3.20 allows us
to conceptualize the problem. It is convenient to choose the co-
ordinate system shown in Figure 3.20, where the axis points
to the east and the axis points to the north. Let us denote the
three consecutive displacements by the vectors 

a, b, and c.

We  can  now  categorize this  problem  as  being  similar  to

Example 3.5 that we have already solved. There are two pri-
mary differences. First, we are adding three vectors instead
of two. Second, Example 3.5 guided us by first asking for the
components in part (A). The current Example has no such
guidance and simply asks for a result. We need to analyze the
situation and choose a path. We will follow the same pattern
that we did in Example 3.5, beginning with finding the com-
ponents of the three vectors 

a, b, and c. Displacement a has

a magnitude of 175 km and the components

Displacement 

b, whose magnitude is 153 km, has the com-

ponents

b

y 

"

b sin(110$) " (153 km)(0.940) " 144 km

b

x 

"

b cos(110$) " (153 km)(#0.342) " #52.3 km

a

y 

"

a sin(30.0$) " (175 km)(0.500) " 87.5 km

a

x 

"

a cos(30.0$) " (175 km)(0.866) " 152 km

Figure 3.20 (Example 3.6) The airplane starts

at the origin, flies first to city A, then to city B,

and finally to city C.

Investigate this situation at the Interactive Worked Example link at http://www.pse6.com.

70

CHAPTE R 3 •  Vectors

Scalar quantities are those that have only a numerical value and no associated direc-
tion. Vector quantities have both magnitude and direction and obey the laws of vector
addition. The magnitude of a vector is always a positive number.

When  two  or  more  vectors  are  added  together,  all  of  them  must  have  the  same

units and all of them must be the same type of quantity. We can add two vectors and
graphically. In this method (Fig. 3.6), the resultant vector runs from the
tail of to the tip of B.

A second method of adding vectors involves components of the vectors. The com-

ponent A

x

of the vector is equal to the projection of along the axis of a coordi-

nate system, as shown in Figure 3.13, where A

x

"

cos !. The component A

y

of is

the  projection  of  along  the  axis,  where  A

y

"

A  sin  !.  Be  sure  you  can  determine

which trigonometric functions you should use in all situations, especially when ! is de-
fined as something other than the counterclockwise angle from the positive axis.

If a vector has an component A

x

and a component A

y

the vector can be ex-

pressed in unit–vector form as A

x

ˆi A

y

ˆjIn this notation, ˆi is a unit vector point-

ing in the positive direction, and ˆj is a unit vector pointing in the positive direction.
Because ˆi and ˆj are unit vectors, 

!ˆi! = !ˆj! = 1.

We can find the resultant of two or more vectors by resolving all vectors into their x

and  components,  adding  their  resultant  and  components,  and  then  using  the
Pythagorean theorem to find the magnitude of the resultant vector. We can find the
angle  that  the  resultant  vector  makes  with  respect  to  the  axis  by  using  a  suitable
trigonometric function.

S U M M A R Y

1. Two  vectors  have  unequal  magnitudes.  Can  their  sum  be

zero? Explain.

2. Can the magnitude of a particle’s displacement be greater

than the distance traveled? Explain.

3. The  magnitudes  of  two  vectors  and  are  " 5  units

and " 2 units. Find the largest and smallest values possi-
ble for the magnitude of the resultant vector .

4. Which  of  the  following  are  vectors  and  which  are  not:

force, temperature, the volume of water in a can, the rat-
ings of a TV show, the height of a building, the velocity of
a sports car, the age of the Universe?

A vector lies in the xy plane. For what orientations of A
will both of its components be negative? For what orienta-
tions will its components have opposite signs?

5.

Q U E S T I O N S

In unit–vector notation,   

R " (# 95.3ˆi % 232ˆj) km . Using 

Equations  3.16  and  3.17,  we  find  that  the  vector 

R has  a

magnitude of 251 km and is directed 22.3° west of north.

To finalize the problem, note that the airplane can reach

city C from the starting point by first traveling 95.3 km due
west  and  then  by  traveling  232 km  due  north.  Or  it  could
follow  a  straight-line  path  to  C  by  flying  a  distance  "
251 km in a direction 22.3° west of north.

What If?

After landing in city C, the pilot wishes to return to

the  origin  along  a  single  straight  line.  What  are  the  compo-
nents  of  the  vector  representing  this  displacement?  What
should the heading of the plane be?

Answer The  desired  vector 

H (for  Home!)  is  simply  the

negative of vector 

R:

H " # R " (% 95.3ˆi # 232ˆj) km

The heading is found by calculating the angle that the vec-
tor makes with the axis:

This gives a heading angle of ! " # 67.7°, or 67.7° south of
east.

tan ! "

R

y

R

x

"

#

232 m

95.3 m

" #

2.43

Take a practice test for

this chapter by clicking on
the Practice Test link at
http://www.pse6.com.

Problems

71

6. A book is moved once around the perimeter of a tabletop

with  the  dimensions  1.0  m ) 2.0  m.  If  the  book  ends  up
at its initial position, what is its displacement? What is the
distance traveled?

7. While traveling along a straight interstate highway you no-

tice  that  the  mile  marker  reads  260.  You  travel  until  you
reach mile marker 150 and then retrace your path to the
mile marker 175. What is the magnitude of your resultant
displacement from mile marker 260?

8. If the component of vector along the direction of vector

is zero, what can you conclude about the two vectors?

9. Can  the  magnitude  of  a  vector  have  a  negative  value?

Explain.

10. Under  what  circumstances  would  a  nonzero  vector  lying

in the xy plane have components that are equal in magni-
tude?

11. If B, what can you conclude about the components of

and B?

Is it possible to add a vector quantity to a scalar quantity?
Explain.

13. The resolution of vectors into components is equivalent to

replacing the original vector with the sum of two vectors,
whose sum is the same as the original vector. There are an
infinite number of pairs of vectors that will satisfy this con-
dition; we choose that pair with one vector parallel to the
axis and the second parallel to the axis. What difficul-
ties would be introduced by defining components relative
to  axes  that  are  not  perpendicular—for  example,  the
axis and a axis oriented at 45° to the axis?

14. In what circumstance is the component of a vector given

by the magnitude of the vector times the sine of its direc-
tion angle?

12.

1

2

3

= straightforward, intermediate, challenging

= full solution available in the Student Solutions Manual and Study Guide

= coached solution with hints available at http://www.pse6.com

= computer useful in solving problem

= paired numerical and symbolic problems

P R O B L E M S

Section 3.1 Coordinate Systems

The polar coordinates of a point are " 5.50 m and

! "

240°. What are the Cartesian coordinates of this point?

2. Two  points  in  a  plane  have  polar  coordinates  (2.50 m,

30.0°)  and  (3.80 m, 120.0°).  Determine  (a)  the  Cartesian
coordinates of these points and (b) the distance between
them.

A fly lands on one wall of a room. The lower left-hand cor-
ner  of  the  wall  is  selected  as  the  origin  of  a  two-dimen-
sional  Cartesian  coordinate  system.  If  the  fly  is  located  at
the point having coordinates (2.00, 1.00) m, (a) how far is
it from the corner of the room? (b) What is its location in
polar coordinates?

4. Two  points  in  the  xy plane  have  Cartesian  coordinates

(2.00, # 4.00) m and (# 3.00, 3.00) m. Determine (a) the
distance between these points and (b) their polar coordi-
nates.

5. If the rectangular coordinates of a point are given by (2, y)

and its polar coordinates are (r, 30°), determine and r.

6.

If the polar coordinates of the point (x, y) are (r, !), deter-

mine  the  polar  coordinates  for  the  points:  (a)  (# x, y ),
(b) (# 2x, #2y), and (c) (3x, # 3y).

Section 3.2 Vector and Scalar Quantities
Section 3.3 Some Properties of Vectors

A surveyor measures the distance across a straight river by
the  following  method:  starting  directly  across  from  a  tree

7.

3.

1.

on  the  opposite  bank,  she  walks  100 m  along  the  river-
bank to establish a baseline. Then she sights across to the
tree. The angle from her baseline to the tree is 35.0°. How
wide is the river?

8. A pedestrian moves 6.00 km east and then 13.0 km north.

Find  the  magnitude  and  direction  of  the  resultant  dis-
placement vector using the graphical method.

9. A plane flies from base camp to lake A, 280 km away, in a

direction  of  20.0° north  of  east.  After  dropping  off  sup-
plies  it  flies  to  lake  B,  which  is  190 km  at  30.0° west  of
north  from  lake  A.  Graphically  determine  the  distance
and direction from lake B to the base camp.

10. Vector has a magnitude of 8.00 units and makes an an-

gle  of  45.0° with  the  positive  axis.  Vector  also  has  a
magnitude of 8.00 units and is directed along the negative
axis. Using graphical methods, find (a) the vector sum
and (b) the vector difference B.

A skater glides along a circular path of radius 5.00 m.

If  he  coasts  around  one  half  of  the  circle,  find  (a)  the 
magnitude of the displacement vector and (b) how far the
person skated. (c) What is the magnitude of the displace-
ment if he skates all the way around the circle?

12. A force F

1

of magnitude 6.00 units acts at the origin in a

direction 30.0° above the positive axis. A second force F

2

of magnitude 5.00 units acts at the origin in the direction
of the positive axis. Find graphically the magnitude and
direction of the resultant force F

1

%

F

2

.

13.

Arbitrarily  define  the  “instantaneous  vector  height”  of  a

person as the displacement vector from the point halfway

11.

72

CHAPTE R 3 •  Vectors

y

B

3.00 m

A

3.00 m

30.0

°

O

x

Figure P3.15 Problems 15 and 37.

Figure P3.18

100 m

x

y

30.0

°

between his or her feet to the top of the head. Make an or-
der-of-magnitude estimate of the total vector height of all
the people in a city of population 100 000 (a) at 10 o’clock
on a Tuesday morning, and (b) at 5 o’clock on a Saturday
morning. Explain your reasoning.

14. A dog searching for a bone walks 3.50 m south, then runs

8.20 m  at  an  angle  30.0° north  of  east,  and  finally  walks
15.0 m west. Find the dog’s resultant displacement vector
using graphical techniques.

Each  of  the  displacement  vectors  and  shown  in

Fig. P3.15 has a magnitude of 3.00 m. Find graphically (a)
B, (b) B, (c) A, (d) # 2B. Report all angles
counterclockwise from the positive axis.

15.

A vector has an component of # 25.0 units and a y

component  of  40.0  units.  Find  the  magnitude  and  direc-
tion of this vector.

20. A  person  walks  25.0° north  of  east  for  3.10 km.  How  far

would she have to walk due north and due east to arrive at
the same location?

Obtain  expressions  in  component  form  for  the  position
vectors having the following polar coordinates: (a) 12.8 m,
150° (b) 3.30 cm, 60.0° (c) 22.0 in., 215°.

22. A  displacement  vector  lying  in  the  xy plane  has  a  magni-

tude  of  50.0 m  and  is  directed  at  an  angle  of  120° to  the
positive  axis.  What  are  the  rectangular  components  of
this vector?

23. A girl delivering newspapers covers her route by traveling

3.00  blocks  west,  4.00  blocks  north,  and  then  6.00  blocks
east.  (a)  What  is  her  resultant  displacement?  (b)  What  is
the total distance she travels?

24.

In  1992,  Akira  Matsushima,  from  Japan,  rode  a  unicycle

across  the  United  States,  covering  about  4  800 km  in  six
weeks.  Suppose  that,  during  that  trip,  he  had  to  find  his
way  through  a  city  with  plenty  of  one-way  streets.  In  the
city  center,  Matsushima  had  to  travel  in  sequence  280 m
north, 220 m east, 360 m north, 300 m west, 120 m south,
60.0 m east, 40.0 m south, 90.0 m west (road construction)
and then 70.0 m north. At that point, he stopped to rest.
Meanwhile,  a  curious  crow  decided  to  fly  the  distance
from his starting point to the rest location directly (“as the
crow flies”). It took the crow 40.0 s to cover that distance.
Assuming  the  velocity  of  the  crow  was  constant,  find  its
magnitude and direction.

25. While exploring a cave, a spelunker starts at the entrance

and moves the following distances. She goes 75.0 m north,
250 m  east,  125 m  at  an  angle  30.0° north  of  east,  and 
150 m  south.  Find  the  resultant  displacement  from  the
cave entrance.

26. A map suggests that Atlanta is 730 miles in a direction of

5.00° north of east from Dallas. The same map shows that
Chicago is 560 miles in a direction of 21.0° west of north
from Atlanta. Modeling the Earth as flat, use this informa-
tion to find the displacement from Dallas to Chicago.

27. Given  the  vectors  " 2.00ˆi % 6.00ˆj and  " 3.00ˆi #

2.00ˆj, (a) draw the vector sum and the vector
difference  B.  (b)  Calculate  and  D,  first  in
terms  of  unit  vectors  and  then  in  terms  of  polar  coordi-
nates, with angles measured with respect to the % axis.

28. Find the magnitude and direction of the resultant of three

displacements  having  rectangular  components  (3.00,
2.00) m, (# 5.00, 3.00) m, and (6.00, 1.00) m.

A man pushing a mop across a floor causes it to undergo
two  displacements.  The  first  has  a  magnitude  of  150 cm
and makes an angle of 120° with the positive axis. The re-
sultant displacement has a magnitude of 140 cm and is di-
rected at an angle of 35.0° to the positive axis. Find the
magnitude and direction of the second displacement.

30. Vector  has  and  components  of  # 8.70 cm  and  15.0

cm, respectively; vector has and components of 13.2
cm  and  # 6.60 cm,  respectively.  If  % 3" 0,  what
are the components of C?

29.

21.

19.

16. Three  displacements  are  " 200 m,  due  south;  "

250 m,  due  west;  " 150 m,  30.0° east  of  north.  Con-
struct  a  separate  diagram  for  each  of  the  following  possi-
ble  ways  of  adding  these  vectors:  R

1

"

C;  R

2

"

AR

3

"

A.

A  roller  coaster  car  moves  200  ft  horizontally,  and  then
rises  135  ft  at  an  angle  of  30.0° above  the  horizontal.  It
then travels 135 ft at an angle of 40.0° downward. What is
its  displacement  from  its  starting  point?  Use  graphical
techniques.

Section 3.4 Components of a Vector and Unit Vectors

18. Find the horizontal and vertical components of the 100-m

displacement  of  a  superhero  who  flies  from  the  top  of  a
tall building following the path shown in Fig. P3.18.

17.

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  16  17  18  19   ..