take .png files generated from .svg out of version control
[light-and-matter.git] / sn / ch03 / ch03.rbtex
blobbfaa1c6427796389a89b0b5e4c9e3a60bfe72359
1 <%
2   require "../eruby_util.rb"
3 %>
4 <%
5   chapter(
6     '03',
7     %q{Conservation of Momentum},
8     'ch:3',
9     %q{Forces transfer momentum to the girl.},
10     {'opener'=>'sledding','sidecaption'=>true,'anonymous'=>true}
11   )
14 \epigraphlong{I think, therefore I am.\par\noindent{}I hope that posterity will judge me kindly, not only as to the things which I have explained, but also to those which I have intentionally omitted so as to leave to others the pleasure of discovery. }{Ren\'e Descartes}\index{Descartes, Ren\'e}
15 <% begin_sec("Momentum in One Dimension",0) %>\index{momentum}
16 <% begin_sec("Mechanical momentum") %>
17         In the martial arts movie \emph{Crouching Tiger, Hidden Dragon},
18         those who had received mystical enlightenment are able to violate the
19         laws of physics. Some of the violations are obvious, such as their ability
20         to fly, but others are a little more subtle. The rebellious young
21         heroine/antiheroine Jen Yu gets into an argument while sitting
22         at a table in a restaurant. A young tough, Iron Arm Lu, comes running toward her at full
23         speed, and she puts up one arm and effortlessly makes him bounce
24         back, without even getting out of her seat or bracing herself against
25         anything. She does all this between bites.
26         
27 <% marg(50) %>
29   fig(
30     'mechanicalsystems',
31     %q{%
32       Systems consisting of material
33               particles that interact through an energy $U(r)$. \emph{Top:\/} The galaxy M100. Here
34               the ``particles'' are stars. \emph{Middle:\/} The pool balls don't interact until they
35               come together and become compressed; the energy $U(r)$ has a sharp upturn when
36               the center-to-center distance $r$ gets small enough for the balls to be in contact.
37               \emph{Bottom:\/} A uranium nucleus undergoing fission. The energy $U(r)$ 
38               has a repulsive contribution from the electrical interactions of the protons, plus
39               an attractive one due to the strong nuclear interaction.
40               \photocredit{M100: Hubble Space Telescope image.}
41     }
42   )
44 <% end_marg %>
45         \label{pconsproof1d}
46         Although kinetic energy doesn't depend on the direction of motion,
47         we've already seen on page \pageref{subsec:predictingdirection} how
48         conservation of energy combined with Galilean relativity allows us to
49         make some predictions about the direction of motion. One of the examples
50         was a demonstration that it isn't possible for a hockey puck to
51         spontaneously reverse its direction of motion. In the scene from the
52         movie, however, the woman's assailant isn't just gliding through
53         space. He's interacting with her, so the previous argument doesn't 
54         apply here, and we need to generalize it to more than
55         one object.
56         We consider the case of a physical system composed of pointlike material
57         particles, in which every particle interacts with every other particle
58         through an energy $U(r)$ that depends only on the distance $r$ between them.
59         This still allows for a fairly general \emph{mechanical system},\index{mechanical system}
60         by which I mean roughly a system made of matter, not light.
61         The characters
62         in the movie are made of protons, neutrons, and electrons, so they
63         would constitute such a system if the interactions among all these
64         particles were of the form $U(r)$.\footnote{Electrical and magnetic interactions
65         \emph{don't} quite behave like this, which is a point we'll take up
66         later in the book.} We might even be able to get away with thinking of each person
67         as one big particle, if it's a good approximation to say that
68         every part of each person's whole body moves in the same
69         direction at the same speed.
71         The basic insight can be extracted from the special case where there
72         are only two particles interacting, and they only move in one dimension,
73         as in the example shown in figure \figref{poolballs}.
74         Conservation of energy says
75         \begin{equation*}
76                 K_{1i}+K_{2i}+U_i = K_{1f}+K_{2f}+U_f \qquad .
77         \end{equation*}
78         For simplicity, let's assume that the interactions start after the time we're calling
79         initial, and end before the instant we choose as final. This is true 
80         in figure \figref{poolballs}, for example. Then $U_i=U_f$, and we can subtract the
81         interaction energies from both sides, giving.
82         \begin{align*}
83                 K_{1i}+K_{2i} &= K_{1f}+K_{2f}  \\
84                 \frac{1}{2}m_1v_{1i}^2+\frac{1}{2}m_2v_{2i}^2 
85                                 &= \frac{1}{2}m_1v_{1f}^2+\frac{1}{2}m_2v_{2f}^2 \qquad .
86         \end{align*}
87         As in the one-particle argument on page  \pageref{subsec:predictingdirection}, the
88         trick is to require conservation of energy not just in one particular frame of reference,
89         but in every frame of reference. In a frame of reference moving at velocity $u$
90         relative to the first one, the velocities all have $u$ added onto them:\footnote{We 
91         can now see that the derivation would
92         have been equally valid for $U_i\ne U_f$. The two observers agree
93         on the distance between the particles, so they also agree on the interaction energies,
94         even though they disagree on the kinetic energies.}
95         \begin{multline*}
96                         \frac{1}{2}m_1(v_{1i}+u)^2+\frac{1}{2}m_2(v_{2i}+u)^2 
97                                 = \frac{1}{2}m_1(v_{1f}+u)^2+\frac{1}{2}m_2(v_{2f}+u)^2 
98         \end{multline*}
99         When we square a quantity like $(v_{1i}+u)^2$, we get the same $v_{1i}^2$ that
100         occurred in the original frame of reference, plus two $u$-dependent terms,
101         $2v_{1i}u+u^2$. Subtracting the original conservation of energy equation
102         from the  version in the new frame of reference, we have
103         \begin{align*}
104                 m_1v_{1i}u+m_2v_{2i}u = m_1v_{1f}u+m_2v_{2f}u \qquad , \\
105                 \intertext{or, dividing by $u$,}
106                 m_1v_{1i}+m_2v_{2i} = m_1v_{1f}+m_2v_{2f} \qquad .
107         \end{align*}
108         This is a statement that when you add up $mv$ for the whole
109         system, that total remains constant over time. In other words, this is a conservation law.
110         The quantity $mv$ is called \emph{momentum}\index{momentum}, notated
111         $p$ for obscure historical reasons. Its units are $\kgunit\cdot\munit/\sunit$.
112 <% marg(120) %>
114   fig(
115     'poolballs',
116     %q{%
117       A collision between two pool balls is seen in two different
118               frames of reference. The solid ball catches up with the striped ball.
119               Velocities are shown with arrows. The second observer is moving to the left at velocity
120               $u$ compared to the first observer, so all the velocities in the second frame
121               have $u$ added onto them. The two observers must agree on conservation of energy.
122     }
123   )
125 <% end_marg %>
127         Unlike kinetic energy, momentum depends on the direction of motion, since the
128         velocity is not squared. In one dimension, motion in the same direction as the
129         positive $x$ axis is represented with positive values of $v$ and $p$. 
130         Motion in the opposite direction has negative $v$ and $p$.
132         \enlargethispage{-\baselineskip}
134         \begin{eg}{Jen Yu meets Iron Arm Lu}
135                 \egquestion
136                 Initially, Jen Yu is at rest, and Iron Arm Lu is charging to the left, toward her,
137                 at 5 m/s. Jen Yu's mass is 50 kg, and Lu's is 100 kg. After the collision,
138                 the movie shows Jen Yu still at rest, and Lu rebounding at 5 m/s to the right.
139                 Is this consistent with the laws of physics, or would it be impossible in real
140                 life?
142                 \eganswer
143                 This is perfectly consistent with conservation of mass (50 kg+100 kg=50 kg+100 kg),
144                 and also with conservation of energy, since neither person's kinetic energy changes,
145                 and there is therefore no change in the total energy. (We don't have to worry about
146                 interaction energies, because the two points in time we're considering are ones at
147                 which the two people aren't interacting.)
148                 To analyze whether the scene violates conservation of momentum, we have to pick a
149                 coordinate system. Let's define positive as being to the right.
150                 The initial momentum is
151                 (50 kg)(0 m/s)+(100 kg)($-$5 m/s)=$-$500 $\kgunit\cdot\munit/\sunit$, and the final
152                 momentum is (50 kg)(0 m/s)+(100 kg)(5 m/s)=500 $\kgunit\cdot\munit/\sunit$.
153                 This is a change of 1000 $\kgunit\cdot\munit/\sunit$, which is impossible if
154                 the two people constitute a closed system.
156                 One could argue that they're not
157                 a closed system, since Lu might be exchanging momentum with the floor, and
158                 Jen Yu might be exchanging momentum with the seat of her chair. This is
159                 a reasonable objection, but in the following section we'll see that there are
160                 physical reasons why, in this situation, the force of
161                 friction would be relatively weak, and would not be able
162                 to transfer that much momentum in a fraction of a second.
163         \end{eg}
165         This example points to an intuitive interpretation of conservation of momentum,
166         which is that interactions are always mutual. That is, Jen Yu can't change Lu's
167         momentum without having her own momentum changed as well.
168                                 
169         \begin{eg}{A cannon}
170                 \egquestion
171                 A cannon of mass 1000 kg fires a 10-kg shell at a
172                 velocity of 200 m/s. At what speed does the cannon recoil?
174                 \eganswer
175                 The law of conservation of momentum tells us that
176                 \begin{equation*}
177                          p_{cannon,i} +  p_{shell,i} 
178                                 =  p_{cannon,f} +  p_{shell,f}   \qquad .
179                 \end{equation*}
180                 Choosing a coordinate system in which the cannon points in
181                 the positive direction, the given information is
182                 \begin{align*}
183                          p_{cannon,i}  &= 0 \\
184                          p_shell,i   &= 0 \\
185                          p_{shell,f}  &= 2000\ \zu{kg}\cdot\zu{m/s}   \qquad .
186                 \end{align*}
187                 We must have $p_{cannon,f}=-\zu{2000 kg}\cdot\zu{m/s}$, so the recoil velocity
188                 of the cannon is 2 m/s.
190         \end{eg}
192 <% marg(170) %>
194   fig(
195     'ion-drive',
196     %q{%
197       The ion drive engine of the NASA Deep Space 1 probe, shown
198                       under construction (top) and being tested in a vacuum
199                       chamber (bottom) prior to its October 1998 launch. Intended
200                       mainly as a test vehicle for new technologies, the craft
201                       nevertheless also carried out a scientific program
202                       that included a        rendezvous with a comet in 2004.\photocredit{NASA}
203     }
204   )
206 <% end_marg %>
208         \begin{eg}{Ion drive}\index{ion drive}\index{Deep Space 1}
209                 \egquestion
210                  The experimental solar-powered ion drive of the
211                 Deep Space 1 space probe expels its xenon gas exhaust at a
212                 speed of 30,000 m/s, ten times faster than the exhaust
213                 velocity for a typical chemical-fuel rocket engine. Roughly
214                 how many times greater is the maximum speed this spacecraft
215                 can reach, compared with a chemical-fueled probe with the
216                 same mass of fuel (``reaction mass'') available for pushing
217                 out the back as exhaust?
219                 \eganswer
220                 Momentum equals mass multiplied by velocity. Both
221                 spacecraft are assumed to have the same amount of reaction
222                 mass, and the ion drive's exhaust has a velocity ten times
223                 greater, so the momentum of its exhaust is ten times
224                 greater. Before the engine starts firing, neither the probe
225                 nor the exhaust has any momentum, so the total momentum of
226                 the system is zero. By conservation of momentum, the total
227                 momentum must also be zero after all the exhaust has been
228                 expelled. If we define the positive direction as the
229                 direction the spacecraft is going, then the negative
230                 momentum of the exhaust is canceled by the positive momentum
231                 of the spacecraft. The ion drive allows a final speed that
232                 is ten times greater. (This simplified analysis ignores the
233                 fact that the reaction mass expelled later in the burn is
234                 not moving backward as fast, because of the forward speed of
235                 the already-moving spacecraft.)
236         \end{eg}
237         
238 <% end_sec() %>
239 <% begin_sec("Nonmechanical momentum") %>\index{momentum!nonmechanical}
240         So far, it sounds as though conservation of momentum can be proved mathematically,
241         unlike conservation of mass and energy, which are entirely based on observations.
242         The proof, however, was only for a mechanical system, with
243         interactions of the form $U(r)$. Conservation of momentum can be extended to
244         other systems as well, but this generalization is based on experiments, not
245         mathematical proof. Light is the most important example of momentum that doesn't
246         equal $mv$ --- light doesn't have mass at all, but it does have momentum. For
247         example, a flashlight left on for an hour would absorb about
248         $10^{-5}\ \kgunit\cdot\munit/\sunit$ of momentum as it recoiled.\index{light!momentum of}
249         \index{momentum!of light}
251         \begin{eg}{Halley's comet}\index{Halley's comet}\index{comet}
252                 Momentum is not always equal to $mv$. Halley's comet, shown
253                 in figure \figref{halley}, has a very elongated elliptical orbit, like those of
254                 many other comets. About once per century, its orbit brings
255                 it close to the sun. The comet's head, or nucleus, is
256                 composed of dirty ice, so the energy deposited by the
257                 intense sunlight gradually removes ice from the surface and turns it into water vapor. The bottom photo
258                 shows a view of the water coming off of the nucleus from
259                 the European Giotto space probe, which passed within 596 km
260                 of the comet's head on March 13, 1986.
262                 The sunlight does not
263                 just carry energy, however. It also carries momentum. Once
264                 the steam comes off, the momentum of the sunlight impacting
265                 on it pushes it away from the sun, forming a tail as shown
266                 in in the top image.
267                 The tail always points away from the sun, so when the comet is
268                 receding from the sun, the tail is in front.
269                 By analogy with matter, for which momentum equals $mv$, you
270                 would expect that massless light would have zero momentum,
271                 but the equation $p= mv$ is not the correct one for light, and
272                 light does have momentum. (Some comets also have a second
273                 tail, which is propelled by electrical forces rather than by
274                 the momentum of sunlight.)
275         \end{eg}
277 <% marg(145) %>
279   fig(
280     'halley',
281     %q{%
282       Halley's comet. Top: A photograph made from earth.
283               Bottom: A view of the nucleus from the Giotto space probe.
284               \photocredit{W. Liller and European Space Agency}
285     }
286   )
288 <% end_marg %>%
289         The reason for bringing this up is not so that you can
290         plug numbers into formulas in these exotic situations.
291         The point is that the conservation laws have proven so
292         sturdy exactly because they can easily be amended to fit
293         new circumstances. The momentum of light will be a natural consequence
294         of the discussion of the theory of relativity in chapter \ref{ch:rel}.
296 <% end_sec() %>
297 <% begin_sec("Momentum compared to kinetic energy") %>
298         \index{momentum!compared to kinetic energy}\index{kinetic energy!compared to momentum}
299         Momentum and kinetic energy are both measures of the
300         quantity of motion, and a sideshow in the Newton-Leibniz
301         controversy over who invented calculus was an argument over
302         whether $mv$ (i.e., momentum) or $mv^2$ (i.e., kinetic energy
303         without the 1/2 in front) was the ``true'' measure of motion.
304         The modern student can certainly be excused for wondering
305         why we need both quantities, when their complementary nature
306         was not evident to the greatest minds of the 1700s. The
307         following table highlights their differences.
308         
309         \begin{tabular}{|p{45mm}|p{45mm}|}
310                 \hline                
312                         Kinetic energy...        & Momentum... \\
313                 \hline\hline
314                 doesn't depend on direction.                & depends on direction.\\
315                 \hline                
317                 is always positive, and cannot cancel out. &
318                 cancels with momentum in the opposite direction.\\
319                 \hline                
321                 can be traded for forms of energy that do not involve motion. 
322                 Kinetic energy is not a conserved quantity by itself.         &
323                 is always conserved in a closed system. \\
324                 \hline                
326                 is quadrupled if the velocity is doubled. &
327                         is doubled if the velocity is doubled.\\
328                 \hline                
330         \end{tabular}
332         \enlargethispage{-2\baselineskip}
333         
334         Here are some examples that show the different behaviors of
335         the two quantities.
337                 \begin{eg}{A spinning top}\label{eg:spinning-top}
338                 A spinning top has zero total momentum, because for every
339                 moving point, there is another point on the opposite side
340                 that cancels its momentum. It does, however, have kinetic
341                 energy.
342                 \end{eg}
344 <% marg(5) %>
347   fig(
348     'eg-top-and-tuning-fork',
349     %q{%
350       Examples \ref{eg:spinning-top} and \ref{eg:tuning-fork}. The momenta cancel, but the energies don't.
351     }
352   )
354 <% end_marg %>
356 \begin{eg}{Why a tuning fork has two prongs}\label{eg:tuning-fork}
357 A tuning fork is made with two prongs so that they can vibrate in opposite directions,
358 canceling their momenta. In a hypothetical version with only one prong, the momentum
359 would have to oscillate, and this momentum would have to come from somewhere, such as
360 the hand holding the fork. The result would be that vibrations would be transmitted
361 to the hand and rapidly die out. In a two-prong fork, the two momenta cancel, but the
362 energies don't.
363 \end{eg}
364                 
365                 \begin{eg}{Momentum and kinetic energy in firing a rifle}
366                 The rifle and bullet have zero momentum and zero kinetic
367                 energy to start with. When the trigger is pulled, the bullet
368                 gains some momentum in the forward direction, but this is
369                 canceled by the rifle's backward momentum, so the total
370                 momentum is still zero. The kinetic energies of the gun and
371                 bullet are both positive numbers, however, and do not
372                 cancel. The total kinetic energy is allowed to increase,
373                 because kinetic energy is being traded for other forms of
374                 energy. Initially there is chemical energy in the gunpowder.
375                 This chemical energy is converted into heat, sound, and
376                 kinetic energy.
377                 The gun's ``backward'' kinetic energy
378                 does not refrigerate the shooter's shoulder!
379                 \end{eg}
381         \enlargethispage{-2\baselineskip}
383                 \begin{eg}{The wobbly earth}
384                 As the moon completes half a circle around the earth, its
385                 motion reverses direction. This does not involve any change
386                 in kinetic energy. The reversed velocity 
387                 does, however, imply a reversed momentum, so
388                 conservation of momentum in the closed earth-moon system
389                 tells us that the earth must also reverse its momentum. In
390                 fact, the earth wobbles in a little ``orbit'' about a point
391                 below its surface on the line connecting it and the moon.
392                 The two bodies' momenta always point in opposite
393                 directions and cancel each other out.
394                 \end{eg}
395         
396                 
397         <% marg(0) %>
399   fig(
400     'earthmoondivorce',
401     %q{Example \ref{eg:earthmoondivorce}.}
402   )
404 <% end_marg %>
405                 \begin{eg}{The earth and moon get a divorce}\label{eg:earthmoondivorce}
406                 Why can't the moon suddenly decide to fly off one way and
407                 the earth the other way? It is not forbidden by conservation
408                 of momentum, because the moon's newly acquired momentum in
409                 one direction could be canceled out by the change in the
410                 momentum of the earth, supposing the earth headed off in the
411                 opposite direction at the appropriate, slower speed. The
412                 catastrophe is forbidden by conservation of energy, because
413                 their energies would have to increase greatly.
414                 \end{eg}
415                 
416                 \begin{eg}{Momentum and kinetic energy of a glacier}
417                 A cubic-kilometer glacier would have a mass of about $10^{12}$
418                 kg. If it moves at a speed of $10^{-5}$ m/s, then its momentum is
419                 $10^7\ \kgunit\cdot\munit/\sunit$.
420                 This is the kind of heroic-scale result we
421                 expect, perhaps the equivalent of the space shuttle taking
422                 off, or all the cars in LA driving in the same direction at
423                 freeway speed. Its kinetic energy, however, is only 50 J,
424                 the equivalent of the calories contained in a poppy seed or
425                 the energy in a drop of gasoline too small to be seen
426                 without a microscope. The surprisingly small kinetic energy
427                 is because kinetic energy is proportional to the square of
428                 the velocity, and the square of a small number is an even
429                 smaller number.
430                 \end{eg}
432 \startdqs
434 \begin{dq}
435 If all the air molecules in the room settled down in a
436 thin film on the floor, would that violate conservation of
437 momentum as well as conservation of energy?
438 \end{dq}
440 \begin{dq}
441 A  refrigerator has coils in back that get hot, and heat
442 is molecular motion. These moving molecules have both energy
443 and momentum. Why doesn't the refrigerator need to be tied
444 to the wall to keep it from recoiling from the momentum
445 it loses out the back?
446 \end{dq}
448 <% end_sec() %>
449 <% begin_sec("Collisions in one dimension",4) %>
450 <% marg(20) %>
452   fig(
453     'colliding-galaxies',
454     %q{%
455       This Hubble Space 
456               Telescope photo shows a small galaxy
457               (yellow blob in the lower right) that has collided with a
458               larger galaxy (spiral near the center), producing a wave of
459               star formation (blue track) due to the shock waves passing
460               through the galaxies' clouds of gas. This is considered a
461               collision in the physics sense, even though it is
462               statistically certain that no star in either galaxy ever
463               struck a star in the other --- the stars are
464               very small compared to the distances between 
465               them.\photocredit{NASA}
466     }
467   )
469 <% end_marg %>%
470         Physicists employ the term ``collision'' in a broader sense
471         than in ordinary usage, applying it to any situation where
472         objects interact for a certain period of time. A bat hitting
473         a baseball, a cosmic ray damaging DNA,
474         and a gun and a bullet going their separate ways are all
475         examples of collisions in this sense. Physical contact is
476         not even required. A comet swinging past the sun on a
477         hyperbolic orbit is considered to undergo a collision, even
478         though it never touches the sun. All that matters is that
479         the comet and the sun interacted gravitationally with each
480         other.
481         
482         The reason for broadening the term ``collision'' in this way
483         is that all of these situations can be attacked
484         mathematically using the same conservation laws in similar
485         ways. In our first example, conservation of momentum is all
486         that is required.
487         
488         \begin{eg}{Getting rear-ended}
489         \egquestion
490         Ms.\ Chang is rear-ended at a stop light by Mr.\ Nelson,
491         and sues to make him pay her medical bills. He
492         testifies that he was only going 55 km per hour when he
493         hit Ms.\ Chang. She thinks he was going much faster than
494         that. The cars skidded together after the impact, and
495         measurements of the length of the skid marks show that their joint velocity
496         immediately after the impact was 30 km per hour. Mr.\
497         Nelson's Nissan has a mass of 1400 kg, and Ms.\ Chang 's
498         Cadillac is 2400 kg. Is Mr.\ Nelson telling the
499         truth?
500         
501         \eganswer
502         Since the cars skidded together, we can write down
503         the equation for conservation of momentum using only two
504         velocities, $v$ for Mr.\ Nelson's velocity before the crash,
505         and $v'$ for their joint velocity afterward:
506         \begin{equation*}
507                  m_{N} v =  m_{N} v' + m_{C} v' \qquad   .
508         \end{equation*}
509         Solving for the unknown, $v$, we find
510         \begin{align*}
511                  v &=  \left(1+\frac{ m_C}{ m_{N}}\right) v' \\
512                         &= \zu{80\ km/hr} \qquad  .
513         \end{align*}
514         He is lying.
515         \end{eg}
516         
517         The above example was simple because both cars had the same
518         velocity afterward. In many one-dimensional collisions,
519         however, the two objects do not stick. If we wish to predict
520         the result of such a collision, conservation of momentum
521         does not suffice, because both velocities after the
522         collision are unknown, so we have one equation in two
523         unknowns.
524         
525         Conservation of energy can provide a second equation, but
526         its application is not as straightforward, because kinetic
527         energy is only the particular form of energy that has to do
528         with motion. In many collisions, part of the kinetic energy
529         that was present before the collision is used to create heat
530         or sound, or to break the objects or permanently bend
531         them. Cars, in fact, are carefully designed to crumple in a
532         collision. Crumpling the car uses up energy, and that's good
533         because the goal is to get rid of all that kinetic energy in
534         a relatively safe and controlled way. At the opposite
535         extreme, a superball is ``super'' because it emerges from a
536         collision with almost all its original kinetic energy,
537         having only stored it briefly as interatomic electrical energy while it
538         was being squashed by the impact.
539         
540         Collisions of the superball type, in which almost no kinetic
541         energy is converted to other forms of energy, can thus be
542         analyzed more thoroughly, because they have $K_f=K_i$, as
543         opposed to the less useful inequality $K_f<K_i$ for a case
544         like a tennis ball bouncing on grass.
545         
546 \begin{eg}{Pool balls colliding head-on}\label{eg:pool-balls}
547 \egquestion Two pool balls collide head-on, so that the
548 collision is restricted to one dimension. Pool balls are
549 constructed so as to lose as little kinetic energy as
550 possible in a collision, so under the assumption that no
551 kinetic energy is converted to any other form of energy,
552 what can we predict about the results of such a collision?
553 <% marg(40) %>
554 \formatlikecaption{%
555 \begin{flushleft}\textit{Gory Details of the Proof in Example \ref{eg:pool-balls}}\end{flushleft}
556 The equation $A+B = C+D$ says that
557 the change in one ball's velocity is
558 equal and opposite to the change
559 in the other's. We invent a symbol
560 $x=C-A$ for the change in ball 1's velocity. The second equation can
561 then be rewritten as
562 $A^2+B^2 = (A+x)^2+(B-x)^2$.
563 Squaring out the quantities in parentheses and then simplifying, we get
564 $0 = Ax-Bx+x^2$.
565 The equation has the trivial solution $x=0$, i.e., neither ball's velocity
566 is changed, but this is physically
567 impossible because the balls can't travel through each other like
568 ghosts. Assuming $x\ne 0$, we can divide by $x$ and solve for $x=B-A$. This
569 means that ball 1 has gained an
570 amount of velocity exactly sufficient to mat\-ch ball 2's
571 initial velocity, and vice-versa. The
572 balls must have swap\-ped velocities.}%
573 <% end_marg %>
575 \eganswer Pool balls have identical masses, so we use the
576 same symbol $m$ for both. Conservation of energy and no loss
577 of kinetic energy give us the two equations
578 \begin{align*}
579   mv_{1i}+mv_{2i} &=  mv_{1f}+mv_{2f} \\
580   \frac{1}{2}mv_{1i}^2+\frac{1}{2}mv_{2i}^2 &=  \frac{1}{2}mv_{1f}^2+\frac{1}{2}mv_{2f}^2
581 \end{align*}
582 The masses and the factors of 1/2 can be divided out, and we
583 eliminate the cumbersome subscripts by replacing the symbols
584 $v_{1i}$,... with the symbols $A$, $B$, $C$, and $D$:
585 \begin{align*}
586  A+B &= C+D \\
587  A^2+B^2 &= C^2+D^2 \qquad .
588 \end{align*}
589 A little experimentation with numbers shows that given
590 values of $A$ and $B$, it is impossible to find $C$ and $D$
591 that satisfy these equations unless $C$ and $D$ equal $A$
592 and $B$, or $C$ and $D$ are the same as $A$ and $B$ but
593 swapped around. A formal proof of this fact is given in the
594 sidebar.
595 In the special case where ball 2 is initially at
596 rest, this tells us that ball 1 is stopped dead by the
597 collision, and ball 2 heads off at the velocity originally
598 possessed by ball 1. This behavior will be familiar to players of pool.
599 \end{eg}
600         
601         Often, as in example \ref{eg:pool-balls}, the details of the algebra
602         are the least interesting part of the problem, and
603         considerable physical insight can be gained simply by
604         counting the number of unknowns and comparing to the number
605         of equations. Suppose a beginner at pool notices a case
606         where her cue ball hits an initially stationary ball and
607         stops dead. ``Wow, what a good trick,'' she thinks. ``I bet I
608         could never do that again in a million years.'' But she tries
609         again, and finds that she can't help doing it even if she
610         doesn't want to. Luckily she has just learned about
611         collisions in her physics course. Once she has written down
612         the equations for conservation of momentum and no loss of
613         kinetic energy, she really doesn't have to complete the
614         algebra. She knows that she has two equations in two
615         unknowns, so there must be a well-defined solution. Once she
616         has seen the result of one such collision, she knows that
617         the same thing must happen every time. The same thing would
618         happen with colliding marbles or croquet balls. It doesn't
619         matter if the masses or velocities are different, because
620         that just multiplies both equations by some constant factor.
621         
622         <% begin_sec("The discovery of the neutron") %>\label{chadwick-as-example-of-collision}
623         This was the type of reasoning employed by James Chadwick\index{Chadwick, James}\index{neutron!discovery of}
624         in his 1932 discovery of the neutron. At the time, the atom was
625         imagined to be made out of two types of fundamental
626         particles, protons and electrons. The protons were far more
627         massive, and clustered together in the atom's core, or
628         nucleus. Electrical attraction caused the electrons
629         to orbit the nucleus in circles, in much the same way that
630         gravity kept the planets from cruising out of
631         the solar system. Experiments showed, for example,
632         that twice as much energy was required to strip the last
633         electron off of a helium atom as was needed to remove the
634         single electron from a hydrogen atom,
635         and this was explained by saying that
636         helium had two protons to hydrogen's one. The trouble was
637         that according to this model, helium would have two
638         electrons and two protons, giving it precisely twice the
639         mass of a hydrogen atom with one of each. In fact, helium
640         has about four times the mass of hydrogen.
641         
642         Chadwick suspected that the helium nucleus possessed two
643         additional particles of a new type, which did not
644         participate in electrical interactions at all, i.e., were
645         electrically neutral. If these particles had very nearly the
646         same mass as protons, then the four-to-one mass ratio of
647         helium and hydrogen could be explained.  In 1930, a new type
648         of radiation was discovered that seemed to fit this
649         description. It was electrically neutral, and seemed to be
650         coming from the nuclei of light elements that had been
651         exposed to other types of radiation. At this time, however,
652         reports of new types of particles were a dime a dozen, and
653         most of them turned out to be either clusters made of
654         previously known particles or else previously known
655         particles with higher energies. Many physicists believed
656         that the ``new'' particle that had attracted Chadwick's
657         interest was really a previously known particle called a
658         gamma ray, which was electrically neutral. Since gamma rays
659         have no mass, Chadwick decided to try to determine the new
660         particle's mass and see if it was nonzero and approximately
661         equal to the mass of a proton.
663   fig(
664     'chadwick',
665     %q{%
666       Chadwick's subatomic pool table. A disk of the naturally
667               occurring metal polonium provides a source of radiation
668               capable of kicking neutrons out of the beryllium nuclei. The
669               type of radiation emitted by the polonium is easily absorbed
670               by a few mm of air, so the air has to be pumped out of the
671               left-hand chamber. The neutrons, Chadwick's mystery
672               particles, penetrate matter far more readily, and fly out
673               through the wall and into the chamber on the right, which is
674               filled with nitrogen or hydrogen gas. When a neutron
675               collides with a nitrogen or hydrogen nucleus, it kicks it
676               out of its atom at high speed, and this recoiling nucleus
677               then rips apart thousands of other atoms of the gas. The
678               result is an electrical pulse that can be detected in the
679               wire on the right. Physicists had already calibrated this
680               type of apparatus so that they could translate the strength
681               of the electrical pulse into the velocity of the recoiling
682               nucleus. The whole apparatus shown in the figure would fit
683               in the palm of your hand, in dramatic contrast to today's
684               giant particle accelerators.
685     },
686     {'width'=>'wide'}
687   )
689         Unfortunately a subatomic particle is not something you can
690         just put on a scale and weigh. Chadwick came up with an
691         ingenious solution. The masses of the nuclei of the various
692         chemical elements were already known, and techniques had
693         already been developed for measuring the speed of a rapidly
694         moving nucleus. He therefore set out to bombard samples of
695         selected elements with the mysterious new particles. When a
696         direct, head-on collision occurred between a mystery
697         particle and the nucleus of one of the target atoms, the
698         nucleus would be knocked out of the atom, and he would
699         measure its velocity.
700         
701         Suppose, for instance, that we bombard a sample of hydrogen
702         atoms with the mystery particles. Since the participants in
703         the collision are fundamental particles, there is no way for
704         kinetic energy to be converted into heat or any other form
705         of energy, and Chadwick thus had two equations in three
706         unknowns:
707         
708         equation \#1: conservation of momentum
709         
710         equation \#2: no loss of kinetic energy
711         
712         unknown \#1: mass of the mystery particle
713         
714         unknown \#2: initial velocity of the mystery particle
715         
716         unknown \#3:  final velocity of the mystery particle
717         
718         The number of unknowns is greater than the number of
719         equations, so there is no unique solution. But by creating
720         collisions with nuclei of another element, nitrogen, he
721         gained two more equations at the expense of only one more
722         unknown:
723         
724         equation \#3: conservation of momentum in the new collision
725         
726         equation \#4: no loss of kinetic energy in the new collision
727         
728         unknown \#4: final velocity of the mystery particle in the
729         new collision
731         \enlargethispage{\baselineskip}
732         
733         He was thus able to solve for all the unknowns, including
734         the mass of the mystery particle, which was indeed within 1\%
735         of the mass of a proton. He named the new particle the
736         neutron, since it is electrically neutral.
738 \startdqs
740 \begin{dq}
741 Good pool players learn to make the cue ball spin, which can
742 cause it not to stop dead in a head-on collision with a
743 stationary ball. If this does not violate the laws of
744 physics, what hidden assumption was there in the example in the
745 text where it was proved that the cue ball must stop?
746 \end{dq}
748 <% end_sec() %>
749 <% end_sec() %>
750 <% begin_sec("The center of mass") %>
751         Figures \figref{highjumper} and \figref{wrench} show two examples where
752         a motion that appears complicated actually has a very simple feature. In both
753         cases, there is a particular point, called the center of mass\index{center of mass},
754         whose motion is surprisingly simple. The highjumper flexes his body as he passes
755         over the bar, so his motion is intrinsically very complicated, and yet his center of
756         mass's motion is a simple parabola, just like the parabolic arc of a pointlike
757         particle. The wrench's center of mass travels in a straight line as seen from above,
758         which is what we'd expect for a pointlike particle flying through the air.
760 <% marg(20) %>
762   fig(
763     'highjumper',
764     %q{%
765       The highjumper's body passes over the bar,
766               but his center of mass passes under it.\photocredit{Dunia Young}
767     }
768   )
770 \spacebetweenfigs
772   fig(
773     'cmballs',
774     %q{Two pool balls collide.}
775   )
777 <% end_marg %>
780   fig(
781     'wrench',
782     %q{%
783       In this multiple-flash photograph, we see the wrench from
784               above as it flies through the air, rotating as it goes. Its
785               center of mass, marked with the black cross, travels along a
786               straight line, unlike the other points on the wrench, which
787               execute loops. \photocredit{PSSC Physics}
788     },
789     {
790       'width'=>'wide'
791     }
792   )
794         The highjumper and the wrench are both complicated systems,
795         each consisting of
796         zillions of subatomic particles. To understand what's going on, let's instead look at a nice
797         simple system, two pool balls colliding.
798         We assume the balls are a closed system (i.e., their interaction with the felt
799         surface is not important) and that their rotation is unimportant, so that
800         we'll be able to treat each one as a single particle.
801         By symmetry, the only place their center of mass can be is half-way in between,
802         at an $x$ coordinate equal to the average of the two balls' positions,
803         $x_{cm}=(x_1+x_2)/2$.
805         Figure \figref{cmballs} makes it appear that the center
806         of mass, marked with an $\times$, moves with constant velocity to the right,
807         regardless of the collision, and we can easily prove this using conservation
808         of momentum:
809         \begin{align*}
810                 v_{cm}         &= \der{}x_{cm}/\der{}t \\
811                                 &= \frac{1}{2}(v_1+v_2) \\
812                                 & = \frac{1}{2m}(mv_1+mv_2) \\
813                                 & = \frac{p_{total}}{m_{total}}
814         \end{align*}
815         Since momentum is conserved, the last expression is constant,        which proves that $v_{cm}$ is constant.
817         Rearranging this a little, we have $p_{total}=m_{total}v_{cm}$.
818         In other words, the total momentum of the system is the same
819         as if all its mass was concentrated at the center of mass
820         point.  
821 <% marg(40) %>
823   fig(
824     'pears',
825     %q{%
826       No matter what point you hang the
827       pear from, the string lines up with the
828       pear's center of mass. The center of
829       mass can therefore be defined as the
830       intersection of all the lines made by
831       hanging the pear in this way.  Note that
832       the X in the figure should not be
833       interpreted as implying that the center
834       of mass is on the surface --- it is
835       actually inside the pear.
836     }
837   )
839 \spacebetweenfigs
841   fig(
842     'trapeze',
843     %q{%
844       The circus performers hang with the ropes passing
845       through their centers of mass.
846     }
847   )
849 <% end_marg %>
851         <% begin_sec("Sigma notation") %>\index{sigma notation}
852         When there is a large, potentially unknown number of particles,
853         we can write sums like the ones occurring above using symbols like ``$+\ldots$,''
854         but that gets awkward. It's more convenient to use the Greek
855         uppercase sigma, $\Sigma$, to indicate addition. For example,
856         the sum $1^2+2^2+3^2+4^2=30$ could be written as
857         \begin{equation*}
858                 \sum_{j=1}^n{j^2} = 30 \qquad ,
859         \end{equation*}
860         read ``the sum from $j=1$ to $n$ of $j^2$.'' The variable $j$ is
861         a dummy variable, just like the $\der{}x$ in an integral that tells you you're
862         integrating with respect to $x$, but has no significance outside the integral.
863         The $j$ below the sigma
864         tells you what variable is changing from one term of the sum to the
865         next, but $j$ has no significance outside the sum.  
867         As an example,
868         let's generalize the proof of $p_{total}=m_{total}v_{cm}$ to
869         the case of an arbitrary number $n$ of identical particles moving in one
870         dimension, rather than just two particles. The center of mass is at
871         \begin{align*}
872                 x_{cm}        &= \frac{1}{n}\sum_{j=1}^{n}{x_j} \qquad ,
873         \end{align*}
874         where $x_1$ is the mass of the first particle, and so on. The velocity of the center of mass is
875         \begin{align*}
876                 v_{cm}         &= \der{}x_{cm}/\der{}t \\
877                                 &= \frac{1}{n}\sum_{j=1}^{n}{v_j} \\
878                                 &= \frac{1}{nm}\sum_{j=1}^{n}{mv_j} \\
879                                 & = \frac{p_{total}}{m_{total}}
880         \end{align*}
882         What about a system containing objects with unequal masses,
883         or containing more than two objects? The reasoning above can
884         be generalized to a weighted average:
885         \begin{align*}
886                 x_{cm}        &= \frac{\sum_{j=1}^{n}{m_jx_j}}{\sum_{j=1}^{n}{m_j}}
887         \end{align*}
888 <% marg(70) %>
890   fig(
891     'unbalanced-wheel',
892     %q{%
893       An improperly balanced wheel has a
894       center of mass that is not at its
895       geometric center. When you get a new
896       tire, the mechanic clamps little weights
897       to the rim to balance the wheel.
898     }
899   )
901 \spacebetweenfigs
903   fig(
904     'jumping-toy',
905     %q{%
906       This toy was intentionally designed so that the mushroom-shaped
907       piece of metal on top would throw off the center of mass. When you wind it
908       up, the mushroom spins, but the center of mass doesn't want to move, so the
909       rest of the toy tends to counter the mushroom's motion, causing the whole
910       thing to jump around.
911     }
912   )
914 <% end_marg %>
916         \begin{eg}{The solar system's center of mass}
917                 In the discussion of the sun's gravitational field on
918                 page \pageref{subsec:sungrav}, I mentioned in a footnote that the sun
919                 doesn't really stay in one place while the planets orbit around it.
920                 Actually, motion is relative, so it's meaningless to ask whether the
921                 sun is absolutely at rest, but it is meaningful to ask whether it
922                 moves in a straight line at constant velocity.
923                 We can now see that since the solar system is a closed system,
924                 its total momentum must be constant, and
925                 $p_{total}= m_{total}v_{cm}$ then tells us
926                 that it's the solar system's center of mass that has constant velocity,
927                 not the sun. The sun wobbles around this point irregularly due to
928                 its interactions with the planets, Jupiter in particular.
929         \end{eg}                
931         \begin{eg}{The earth-moon system}\label{eg:earthmooncg}
932                 The earth-moon system is much simpler than the solar system because it contains
933                 only two objects. Where is the center of mass of this system? Let $x$=0 be
934                 the earth's center, so that the moon lies at 
935                 $x=3.8\times10^5\  \zu{km}$. Then
936                 \begin{align*}
937                          x_{cm}        &= \frac{\sum_{ j=1}^{2}{ m_{j} x_{j}}}
938                                 {\sum_{ j=1}^{2}{ m_j}} \\
939                                 &= \frac{ m_{1} x_{1}+ m_2 x_{2}}
940                                         { m_{1}+ m_2} \qquad , \\
941                 \intertext{and letting 1 be the earth and 2 the moon, we have}
942                          x_{cm}        
943                                 &= \frac{ m_{earth}\times0+ m_{moon} x_{moon}}
944                                         { m_{earth}+ m_{moon}} \\
945                                 &= 4600\ \zu{km} \qquad ,
946                 \end{align*}
947                 or about three quarters of the way from the earth's center to its surface.
948         \end{eg}                
950 \pagebreak[4]
952 \begin{eg}{The center of mass as an average}\label{eg:cm-examples}
953 \egquestion Explain how we know that the center of mass of each
954 object is at the location shown in figure \figref{cm-examples}.
956   fig(
957     'cm-examples',
958     %q{Example \ref{eg:cm-examples}.},
959     {
960       'width'=>'wide',
961       'sidecaption'=>true
962     }
963   )
966 \eganswer The center of mass is a sort of average, so the height
967 of the centers of mass in 1 and 2 has to be midway between the
968 two squares, because that height is the average of the heights
969 of the two squares. Example 3 is a combination of examples 1
970 and 2, so we can find its center of mass by averaging the horizontal
971 positions of their centers of mass. In example 4, each 
972 square has been skewed a little, but just as much mass has been
973 moved up as down, so the average vertical position of the mass
974 hasn't changed. Example 5 is clearly not all that different from
975 example 4, the main difference being a slight clockwise rotation,
976 so just as in example 4, the center of mass must be hanging in
977 empty space, where there isn't actually any mass. Horizontally,
978 the center of mass must be between the heels and toes, or else
979 it wouldn't be possible to stand without tipping over.
980 \end{eg}
982 \begin{eg}{Momentum and Galilean relativity}
983         The principle of Galilean relativity states that the
984         laws of physics are supposed to be equally valid in all
985         inertial frames of reference. If we first calculate some
986         momenta in one frame of reference and find that momentum is
987         conserved, and then rework the whole problem in some other
988         frame of reference that is moving with respect to the first,
989         the numerical values of the momenta will all be different.
990         Even so, momentum will still be conserved. All that matters
991         is that we work a single problem in one consistent frame of
992         reference.
993         
994         One way of proving this is to apply the equation
995         $p_{total}=m_{total}v_{cm}$. If the velocity of one frame relative to
996         the other is $u$, then the only effect of changing frames of
997         reference is to change $v_{cm}$ from its original value to
998         $v_{cm}+u$. This adds a constant onto the momentum,
999         which has no effect on conservation of momentum.
1000 \end{eg}
1001         
1002 <% self_check('gymnastics-wheel',<<-'SELF_CHECK'
1003 The figure shows a gymnast holding onto the inside of a big wheel.
1004 From inside the wheel, how could he make it roll one way or the
1005 other?
1006   SELF_CHECK
1007   ) %>
1008 <% marg(50) %>
1010   fig(
1011     'gymnastics-wheel',
1012     %q{Self-check \ref{sc:gymnastics-wheel}.}
1013   )
1016 <% end_marg %>
1017         
1019 <% end_sec() %>
1020 <% end_sec() %>
1021 <% begin_sec("The center of mass frame of reference",4) %>\index{center of mass frame}
1022 <% marg(10) %>
1024   fig(
1025     'cmballs2',
1026     %q{%
1027       The same collision of two pools balls,
1028               but now seen in the center of mass frame of reference.
1029     }
1030   )
1032         \spacebetweenfigs%
1033         %
1035   fig(
1036     'slingshot',
1037     %q{The sun's frame of reference.}
1038   )
1040                 \label{eg:slingshot1}%
1041         \spacebetweenfigs%
1042         %
1044   fig(
1045     'slingshotcm',
1046     %q{The c.m. frame.}
1047   )
1049                 \label{eg:slingshot2}
1050 <% end_marg %>%
1051         A particularly useful frame of reference in many cases is
1052         the frame that moves along with the center of mass, called
1053         the center of mass (c.m.) frame. In this frame, the total
1054         momentum is zero. The following examples show how the center
1055         of mass frame can be a powerful tool for simplifying our
1056         understanding of collisions.
1057         
1058         \begin{eg}{A collision of pool balls viewed in the c.m. frame}\label{eg:cmballs2}
1059         If you move your head so that your eye is always above the
1060         point halfway in between the two pool balls, as in figure \figref{cmballs2}, you are viewing
1061         things in the center of mass frame. In this frame, the balls
1062         come toward the center of mass at equal speeds. By symmetry,
1063         they must therefore recoil at equal speeds along the lines
1064         on which they entered. Since the balls have essentially
1065         swapped paths in the center of mass frame, the same must
1066         also be true in any other frame. This is the same result
1067         that required laborious algebra to prove previously without
1068         the concept of the center of mass frame.
1069         \end{eg}
1070         
1071         \begin{eg}{The slingshot effect}\label{eg:slingshot}
1072         It is a counterintuitive fact that a spacecraft can pick up
1073         speed by swinging around a planet, if it arrives in the
1074         opposite direction compared to the planet's motion. Although
1075         there is no physical contact, we treat the encounter as a
1076         one-dimensional collision, and analyze it in the center of
1077         mass frame. Since Jupiter is so much more massive than the
1078         spacecraft, the center of mass is essentially fixed at
1079         Jupiter's center, and Jupiter has zero velocity in the
1080         center of mass frame, as shown in figure \ref{eg:slingshot2}. The c.m. frame
1081         is moving to the left compared to the sun-fixed frame used
1082         in figure \ref{eg:slingshot1}, so the spacecraft's initial velocity is greater in
1083         this frame than in the sun's frame.
1084         
1085         Things are simpler in the center of mass frame, because it
1086         is more symmetric. In the sun-fixed frame, the incoming leg
1087         of the encounter is rapid, because the two bodies are
1088         rushing toward each other, while their separation on the
1089         outbound leg is more gradual, because Jupiter is trying to
1090         catch up. In the c.m. frame, Jupiter is sitting still, and
1091         there is perfect symmetry between the incoming and outgoing
1092         legs, so by symmetry we have $v_{1f}=- v_{1i}$. Going back to the
1093         sun-fixed frame, the spacecraft's final velocity is
1094         increased by the frames' motion relative to each other. In
1095         the sun-fixed frame, the spacecraft's velocity has increased
1096         greatly.
1097 \end{eg}
1098         
1099 \begin{eg}{Einstein's motorcycle}
1100         We've assumed we were dealing with a system of material objects,
1101         for which the equation $ p=mv$ was true. What if our system contains only light
1102         rays, or a mixture of light and matter? 
1103          As a college
1104         student, Einstein kept worrying about was what a beam of light
1105         would look like if you could ride alongside it on a motorcycle. In other
1106         words, he imagined putting himself in the light beam's center of mass frame.
1107         Chapter \ref{ch:rel} discusses Einstein's resolution of this problem, but the basic point is
1108         that you \emph{can't} ride the motorcycle alongside the light beam, because material
1109         objects can't go as fast as the speed of light. A beam of light has no center of
1110         mass frame of reference.
1111 \end{eg}
1113 \startdqs
1115 \begin{dq}
1116 Make up a numerical example of two unequal masses moving
1117 in one dimension at constant velocity, and verify the
1118 equation $p_{total}=m_{total}v_{cm}$ over a time
1119 interval of one second.
1120 \end{dq}
1122 \begin{dq}
1123 A  more massive tennis racquet or baseball bat makes the
1124 ball fly off faster. Explain why this is true, using the
1125 center of mass frame. For simplicity, assume that the
1126 racquet or bat is simply sitting still before the collision,
1127 and that the hitter's hands do not make any force large
1128 enough to have a significant effect over the short
1129 duration of the impact.
1130  \end{dq}
1132 <% end_sec() %>
1133 <% end_sec() %>
1134 <% begin_sec("Force in One Dimension") %>
1135 <% begin_sec("Momentum transfer") %>
1136         For every conserved quantity, we can define an associated rate of flow.
1137         An open system can have mass transferred in or out of it, and we can measure the
1138         rate of mass flow, $\der{}m/\der{}t$ in units of kg/s. Energy can flow in or out, and
1139         the rate of energy transfer is the power, $P=\der{}E/\der{}t$, measured in
1140         watts.\footnote{Recall that uppercase $P$ is power, while lowercase $p$ is momentum.}
1141          The rate of
1142         \emph{momentum} transfer is called force,\index{force!defined}
1143         \begin{equation*}
1144                 F = \frac{\der{}p}{\der{}t} \qquad \text{[definition of force]} \qquad .
1145         \end{equation*}
1146         The units of force are $\kgunit\unitdot\munit/\sunit^2$, which can be abbreviated
1147         as newtons, $1\ \nunit=\kgunit\unitdot\munit/\sunit^2$.\index{newton (unit)}
1148         Newtons are unfortunately not as familiar as watts. A newton
1149         is about how much force you'd use to pet a dog. The most powerful rocket engine
1150         ever built, the first stage of the Saturn V that sent
1151         astronauts to the moon, had a thrust of about 30 million newtons.
1152         In one dimension, positive and negative signs indicate the direction of the force ---
1153         a positive force is one that pushes or pulls in the direction
1154         of the positive $x$ axis.  
1155 <% marg(70) %>
1157   fig(
1158     'e-and-p-transfer',
1159     %q{%
1160       Power and force are the rates at which
1161       energy and momentum are transferred.
1162     }
1163   )
1165 <% end_marg %>
1167         \begin{eg}{Walking into a lamppost}
1168         \egquestion
1169         Starting from rest, you begin walking, bringing
1170         your momentum up to 100 $\momunit$. You walk straight into a
1171         lamppost. Why is the momentum change of $-100\ \momunit$ so much
1172         more painful than the change of $+100\ \momunit$ when you started
1173         walking?
1174         
1175         \eganswer
1176         The forces are not really constant, but for this type of qualitative
1177         discussion we can pretend they are, and approximate $\der{} p/\der{} t$
1178         as $\Delta{} p/\Delta{} t$.
1179         It probably takes you
1180         about 1 s to speed up initially, so the ground's force on
1181         you is $F=\Delta{} p/\Delta{} t\approx100\ \zu{N}$.
1182         Your impact with the lamppost,
1183         however, is over in the blink of an eye, say 1/10 s or less.
1184         Dividing by this much smaller $\Delta{} t$ gives a much larger force,
1185         perhaps thousands of newtons (with a negative sign).
1186         \end{eg}
1187         
1188         This is also the principle of airbags in cars. The time
1189         required for the airbag to decelerate your head is fairly
1190         long: the time it takes your face to travel 20 or 30 cm.
1191         Without an airbag, your face would have hit the
1192         dashboard, and the time interval would have been the much
1193         shorter time taken by your skull to move a couple of
1194         centimeters while your face compressed. Note that either
1195         way, the same amount of momentum is transferred:
1196         the entire momentum of your head.
1197 <% marg(100) %>
1199   fig(
1200     'airbag',
1201     %q{%
1202       The airbag increases $\Delta t$ so as to reduce $F=\Delta p/\Delta t$.
1203     }
1204   )
1206 <% end_marg %>
1208         Force is defined as a derivative, and the derivative of a sum is the sum
1209         of the derivatives. Therefore force is additive: when more than one force
1210         acts on an object, you add the forces to find out what happens. An important special case
1211         is that forces can cancel. Consider your body sitting in a chair as you read
1212         this book. Let the positive $x$ axis be upward. The chair's upward force
1213         on you is represented with a positive number, which cancels out with
1214         the earth's downward gravitational force, which is negative. The total rate
1215         of momentum transfer into your body is zero, and your body doesn't
1216         change its momentum.
1218 \begin{eg}{Finding momentum from force}
1219 \egquestion An object of mass $m$ starts at rest at $t=t_\zu{o}$. 
1220 A force varying as $F=bt^{-2}$,
1221 where $b$ is a constant, begins acting on it. Find the greatest speed it will
1222 ever have.
1224 \eganswer
1225 \begin{align*}
1226 F &= \frac{\der p}{\der t} \\
1227 \der p &= F \der t \\
1228 p &= \int F \der t + p_\zu{o}\\
1229   &= -\frac{b}{t}+p_\zu{o} \qquad ,
1230 \end{align*}
1231 where $p_\zu{o}$ is a constant of integration.
1232 The given initial condition is that $p=0$ at $t=t_\zu{o}$, so we find that $p_\zu{o}=b/t_\zu{o}$. The negative term gets closer
1233 to zero with increasing time, so the maximum momentum is achieved by letting $t$ approach infinity. That is, the
1234 object will never stop speeding up, but it will also never surpass a certain speed. In the limit $t\rightarrow\infty$,
1235 we identify $p_\zu{o}$ as the momentum that the object will approach asymptotically. The maximum
1236 velocity is $v=p_\zu{o}/m=b/mt_\zu{o}$.
1237 \end{eg}
1239 \startdq
1241 \begin{dq}
1242  Many collisions, like the collision of a bat with a
1243 baseball, appear to be instantaneous. Most people also would
1244 not imagine the bat and ball as bending or being compressed
1245 during the collision. Consider the following possibilities:
1247 (1) The collision is instantaneous.\\
1248 (2) The collision takes a finite amount of time, during
1249 which the ball and bat retain their shapes and remain in contact.\\
1250 (3) The collision takes a finite amount of time, during
1251 which the ball and bat are bending or being compressed.
1253 How can two of these be ruled out based on energy or
1254 momentum considerations?
1255 \end{dq}
1257 <% end_sec() %>
1258 <% begin_sec("Newton's laws") %>
1259         Although momentum is the third conserved quantity we've encountered,
1260         historically it was the first to be discovered. Isaac Newton formulated a
1261         complete treatment of mechanical systems in terms of force and momentum.
1262         Newton's theory was based on three laws of motion, which we now
1263         think of as consequences of conservation of mass, energy, and momentum.
1264 <% marg(20) %>
1266   fig(
1267     'newton',
1268     %q{%
1269       Isaac Newton (1643-1727).
1270     }
1271   )
1273 <% end_marg %>
1276         \begin{tabular}{|p{90mm}|}
1277         \hline
1278         Newton's laws in one dimension:\\
1279         \hline
1280         \hline
1281         \noindent\textsl{Newton's first law:\/} If there is no force acting on
1282         an object, it stays in the same state of motion.\\
1283         \hline
1284         \noindent\textsl{Newton's second law:\/} The sum of all the forces acting on an
1285         object determines the rate at which its momentum changes, $F_{total}=\der{}p/\der{}t$.\\
1286         \hline
1287         \noindent\textsl{Newton's third law:\/} Forces occur in opposite pairs.
1288         If object A interacts with object B, then A's force on B and B's force on
1289         A are related by $F_{AB}=-F_{BA}$.\\
1290         \hline
1291         \end{tabular}
1293         \noindent{}The second law is the definition of force, which we've already
1294         encountered.\footnote{This is with the benefit of hindsight. At the time,
1295         the word ``force'' already had certain connotations, and people thought
1296         they understood what it meant and how to measure it, e.g., by using a spring
1297         scale. From their point of view, $F=\der{}p/\der{}t$ was not a definition but a
1298         testable --- and controversial! --- statement.} The first law is a special case 
1299         of the second
1300         law ---
1301         if $\der{}p/\der{}t$ is
1302         zero, then $p=mv$ is a constant, and since mass is conserved, constant $p$
1303         implies constant $v$.
1304          The third law is a restatement of conservation of momentum: for two objects
1305         interacting, we have constant total momentum, so $0=\frac{\der}{\der{}t}(p_A+p_B)
1306         =F_{BA}+F_{AB}$.
1308         \begin{eg}{a=F/m}
1309         Many modern textbooks restate Newton's second law as $a= F/ m$, i.e.,
1310         as an equation that predicts an object's acceleration based on the force exerted on it.
1311         This is easily derived from Newton's original form as follows:
1312         $a=\zu{d} v/\zu{d} t=(\zu{d} p/\zu{d} t)/ m= F/ m$.
1313         \end{eg}
1314         \begin{eg}{Gravitational force related to g}
1315         As a special case of the previous example, consider an object in free fall, and
1316         let the $x$ axis point down. Then $a=+g$, and
1317         $F= ma= mg$. For example, the gravitational force on a 1 kg mass
1318         at the earth's surface is about 9.8 N. Even if other forces act on the object, and it
1319         isn't in free fall, the gravitational force on it is still the same, and can still be
1320         calculated as $mg$.
1321         \end{eg}
1323         \begin{eg}{Changing frames of reference}
1324         Suppose we change from one frame reference into another, which is moving relative
1325         to the first one at a constant velocity $u$. If an object of mass $m$ is moving
1326         at velocity $v$ (which need not be constant), then the effect is to change its
1327         momentum from $mv$ in one frame to $mv+mu$ in the other. Force is defined
1328         as the derivative of momentum with respect to time, and the derivative of a constant
1329         is zero, so adding the constant $mu$ has no effect on the result. We therefore conclude
1330         that observers in different inertial frames of reference agree on forces.
1331         \end{eg}
1333 <% begin_sec("Using the third law correctly") %>
1334         If you've already accepted Galilean relativity in your heart, then there is nothing
1335         really difficult about the first and second laws. The third law, however, is more
1336         of a conceptual challenge. The first hurdle is that it is counterintuitive. Is it really
1337         true that if a fighter jet collides with a mosquito,
1338         the mosquito's force on the jet is just as strong as the jet's force on the mosquito?
1339         Yes, it is true, but it is hard to believe at first. That amount of force simply has more of an effect
1340         on the mosquito, because it has less mass.
1341 <% marg(90) %>
1343   fig(
1344     'third-law-magnets',
1345     %q{%
1346       Two magnets 
1347               exert forces on each other.
1348     }
1349   )
1351         \spacebetweenfigs%
1352         %
1354   fig(
1355     'bartab',
1356     %q{%
1357       It doesn't make sense for the man to talk about the woman's
1358               money canceling out his bar tab, because there is no good
1359               reason to combine his debts and her assets.
1360     }
1361   )
1363         \spacebetweenfigs%
1364         %
1366   fig(
1367     'skaters',
1368     %q{%
1369       Newton's third law does not mean that forces always cancel
1370               out so that nothing can ever move. If these two ice skaters, initially at rest,
1371               push against each other, they will both move.
1372     }
1373   )
1375 <% end_marg %>%
1376         A more humane
1377         and practical experiment is shown in figure \figref{third-law-magnets}.
1378         A large magnet and a small magnet
1379         are weighed separately, and then one magnet is hung from the
1380         pan of the top balance so that it is directly above the
1381         other magnet. There is an attraction between the two
1382         magnets, causing the reading on the top scale to increase
1383         and the reading on the bottom scale to decrease. The large
1384         magnet is more ``powerful'' in the sense that it can pick up a
1385         heavier paperclip from the same distance, so many people
1386         have a strong expectation that one scale's reading will
1387         change by a far different amount than the other. Instead, we
1388         find that the two changes are equal in magnitude but
1389         opposite in direction, so the upward force of the top magnet
1390         on the bottom magnet is of the same magnitude as the
1391         downward force of the bottom magnet on the top magnet.
1393         \enlargethispage{-\baselineskip}
1395         To students, it often sounds as though Newton's third law
1396         implies nothing could ever change its motion, since the two
1397         equal and opposite forces would always cancel. 
1398         As illustrated in figure \figref{bartab}, the fallacy arises
1399         from assuming that we can add things that it doesn't make sense to add.
1400         It only makes sense to
1401         add up forces that are acting on the same object, whereas
1402         two forces related to each other by Newton's third law are
1403         always acting on two different objects.
1404          If two objects are interacting via a force and no other forces are
1405         involved, then \emph{both\/} objects will accelerate --- in opposite
1406         directions, as shown in figure \figref{skaters}!    
1408 Here are some suggestions for avoiding misapplication of Newton's third law:
1409 \begin{enumerate}
1410 \item It always relates exactly two forces, not more.
1411 \item The two forces involve exactly two objects, in the pattern A on B, B on A.
1412 \item The two forces are always of the same type, e.g., friction and friction, or gravity and gravity.
1413 \end{enumerate}
1414 <% marg(60) %>
1416   fig(
1417     'swimming',
1418     %q{%
1419       A swimmer doing the breast stroke pushes backward
1420       against the water. By Newton's third law, the water pushes
1421       forward on him. 
1422     }
1423   )
1425 <% end_marg %>
1427 <% end_sec() %>
1428 <% begin_sec("Directions of forces") %>
1429 We've already seen that momentum, unlike energy, has a direction in space. Since force is defined in terms
1430 of momentum, force also has a direction in space. For motion in one dimension, we have to pick a coordinate
1431 system, and given that choice, forces and momenta will be positive or negative. We've already used signs
1432 to represent directions of forces in Newton's third law, $F_{AB}=-F_{BA}$.
1434         \enlargethispage{-\baselineskip}
1436 There is, however, a complication with force that we were able to avoid with momentum. If an object is moving
1437 on a line, we're guaranteed that its momentum is in one of two directions: the two directions along the
1438 line. But even an object that stays on a line may still be subject to forces that act perpendicularly to the
1439 line. For example, suppose a coin is sliding to the right across a table, \figref{unavoidable-crosswise-forces}, and let's choose a positive
1440 $x$ axis that points to the right. The coin's motion is along a horizontal line, and its momentum is
1441 positive and decreasing. Because the momentum is decreasing, its time derivative $\der p/\der t$ is negative. This
1442 derivative equals the horizontal force of friction $F_1$, and its negative sign tells us that this force on the coin is to the left.
1443 <% marg(30) %>
1445   fig(
1446     'unavoidable-crosswise-forces',
1447     %q{%
1448       A coin slides across a table. Even for motion in one dimension, some of the forces may not lie along the line of the motion.
1449     }
1450   )
1452 <% end_marg %>
1454 But there are also vertical forces on the coin. The Earth exerts a downward gravitational force $F_2$ on it, and
1455 the table makes an upward force $F_3$ that prevents the coin from sinking into the wood. In fact, without these vertical
1456 forces the horizontal frictional force wouldn't exist: surfaces don't exert friction against one another unless
1457 they are being pressed together.
1459 To avoid mathematical complication, we want to postpone the full three-dimensional treatment of force and
1460 momentum until section \ref{sec:motion-in-three-d}. For now, we'll limit ourselves to examples like the coin,
1461 in which the motion is confined to a line, and any forces perpendicular to the line cancel each other out.
1462 <% end_sec() %>
1464 \startdqs
1466 \begin{dq}
1467 Criticize the following incorrect statement:\\
1468 ``If an object is at rest and the total force on it is zero,
1469 it stays at rest. There can also be cases where an object is
1470 moving and keeps on moving without having any total force on
1471 it, but that can only happen when there's no friction,
1472 like in outer space.''
1473 \end{dq}
1475 \pagebreak
1477 \begin{dq}\label{dq:johnson}
1478 The table gives laser timing data for Ben
1479 Johnson's 100 m dash at the 1987 World Championship in
1480 Rome. (His world record was later revoked because he tested
1481 positive for steroids.) How does the total force on him
1482 change over the duration of the race?
1483 \end{dq}
1485 <% marg(40) %>
1486 \formatlikecaption{%
1487 \quad\begin{tabular}{ll}
1488 $x$ (m)        & $t$ (s) \\
1489 10                & 1.84 \\
1490 20                & 2.86 \\
1491 30                & 3.80 \\
1492 40                & 4.67 \\
1493 50                & 5.53 \\
1494 60                & 6.38 \\
1495 70                & 7.23 \\
1496 80                & 8.10 \\
1497 90                & 8.96 \\
1498 100                & 9.83 
1499 \end{tabular}\\
1500 Discussion question \ref{dq:johnson}.
1502 <% end_marg %>
1504 \begin{dq}
1505 You hit a tennis ball against a wall. Explain any and all
1506 incorrect ideas in the following description of the physics
1507 involved: ``According to Newton's third law, there has to be
1508 a force opposite to your force on the ball. The opposite
1509 force is the ball's mass, which resists acceleration, and
1510 also air resistance.''
1511 \end{dq}
1513 \begin{dq}
1514 Tam Anh grabs Sarah by the hand and tries to pull her.
1515 She tries to remain standing without moving. A student
1516 analyzes the situation as follows. ``If Tam Anh's force on
1517 Sarah is greater than her force on him, he can get her to
1518 move. Otherwise, she'll be able to stay where she is.''
1519 What's wrong with this analysis?
1520 \end{dq}
1522 <% end_sec() %>
1523 <% begin_sec("What force is not") %>
1525 Violin teachers have to endure their beginning students'
1526 screeching. A frown appears on the woodwind teacher's face
1527 as she watches her student take a breath with an expansion
1528 of his ribcage but none in his belly. What makes physics
1529 teachers cringe is their students' verbal statements about
1530 forces. Below I have listed several dicta about what force is not.
1532 <% begin_sec("Force is not a property of one object.") %>
1534 A great many of students' incorrect descriptions of forces
1535 could be cured by keeping in mind that a force is an
1536 interaction of two objects, not a property of one object.
1538 \begin{egnoheader}
1539 \emph{Incorrect statement:\/} ``That magnet has a lot of force.''
1541 \noindent<% x_mark %> If the magnet is one millimeter away from a steel ball
1542 bearing, they may exert a very strong attraction on each
1543 other, but if they were a meter apart, the force would be
1544 virtually undetectable. The magnet's strength can be rated
1545 using certain electrical units $(\zu{ampere}-\zu{meters}^2)$, but
1546 not in units of force.
1547 \end{egnoheader}
1549 <% end_sec() %>
1550 <% begin_sec("Force is not a measure of an object's motion.") %>
1552 If force is not a property of a single object, then it
1553 cannot be used as a measure of the object's motion.
1555 \begin{egnoheader}
1556 \emph{Incorrect statement:\/} ``The freight train rumbled down the
1557 tracks with awesome force.''
1559 \noindent<% x_mark %> Force is not a measure of motion. If the freight train
1560 collides with a stalled cement truck, then some awesome
1561 forces will occur, but if it hits a fly the force will be small.
1562 \end{egnoheader}
1564 \index{force!distinguished from energy}
1565 \index{energy!distinguished from force}
1566 <% end_sec() %>
1567 <% begin_sec("Force is not energy.") %>
1569 \begin{egnoheader}
1570 \emph{Incorrect statement:\/} ``How can my chair be making an upward
1571 force on my rear end? It has no power!''
1573 \noindent<% x_mark %> Power is a concept related to energy, e.g., a 100-watt
1574 lightbulb uses up 100 joules per second of energy. When you
1575 sit in a chair, no energy is used up, so forces can exist
1576 between you and the chair without any need for a source of power.
1577 \end{egnoheader}
1579 <% end_sec() %>
1580 <% begin_sec("Force is not stored or used up.") %>
1582 Because energy can be stored and used up, people think force
1583 also can be stored or used up.
1585 \begin{egnoheader}
1586 \emph{Incorrect statement:\/} ``If you don't fill up your tank with
1587 gas, you'll run out of force.''
1589 \noindent<% x_mark %> Energy is what you'll run out of, not force.
1590 \end{egnoheader}
1592 <% end_sec() %>
1593 <% begin_sec("Forces need not be exerted by living things or machines.") %>
1595 Transforming energy from one form into another usually
1596 requires some kind of living or mechanical mechanism. The
1597 concept is not applicable to forces, which are an interaction
1598 between objects, not a thing to be transferred or transformed.
1600 \begin{egnoheader}
1601 \emph{Incorrect statement:\/} ``How can a wooden bench be making an
1602 upward force on my rear end? It doesn't have any springs or
1603 anything inside it.''
1605 \noindent<% x_mark %> No springs or other internal mechanisms are required. If
1606 the bench didn't make any force on you, you would obey
1607 Newton's second law and fall through it. Evidently it does
1608 make a force on you!
1609 \end{egnoheader}
1611 <% end_sec() %>
1612 <% begin_sec("A force is the direct cause of a change in motion.") %>
1614 I can click a remote control to make my garage door change
1615 from being at rest to being in motion. My finger's force on
1616 the button, however, was not the force that acted on the
1617 door. When we speak of a force on an object in physics, we
1618 are talking about a force that acts directly. Similarly,
1619 when you pull a reluctant dog along by its leash, the leash
1620 and the dog are making forces on each other, not your hand
1621 and the dog. The dog is not even touching your hand.
1623 <% self_check('force-or-not',<<-'SELF_CHECK'
1624 Which of the following things can be correctly described in terms of force?
1626 (1) A nuclear submarine is charging ahead at full steam.
1628 (2) A nuclear submarine's propellers spin in the water.
1630 (3) A nuclear submarine needs to refuel its reactor periodically.
1631   SELF_CHECK
1632   ) %>
1634 \startdqs
1636 \begin{dq}
1637 Criticize the following incorrect statement: ``If you
1638 shove a book across a table, friction takes away more and
1639 more of its force, until finally it stops.''
1640 \end{dq}
1642 \begin{dq}
1643 You hit a tennis ball against a wall. Explain any and all
1644 incorrect ideas in the following description of the physics
1645 involved: ``The ball gets some force from you when you hit
1646 it, and when it hits the wall, it loses part of that force,
1647 so it doesn't bounce back as fast. The muscles in your arm
1648 are the only things that a force can come from.''
1649 \end{dq}
1651 <% end_sec() %>
1652 <% end_sec() %>
1653 <% begin_sec("Forces between solids",nil,'forcesbetweensolids') %>
1654         Conservation laws are more fundamental than Newton's laws,
1655         and they apply where Newton's laws don't, e.g., to light and to
1656         the internal structure of atoms. However, there are certain problems
1657         that are much easier to solve using Newton's laws. As a trivial example,
1658         if you drop a rock, it could conserve momentum and energy by levitating,
1659         or by falling in the usual manner.\footnote{This pathological solution was
1660         first noted on page \pageref{hoveringrefback}, and discussed in more detail
1661         on page \pageref{hovering}.} With Newton's laws, however, we can
1662         reason that $a=F/m$, so the rock must respond to the gravitational force
1663         by accelerating.
1665         Less trivially, suppose a person is hanging onto a rope, and we want to
1666         know if she will slip. Unlike the case of the levitating rock, here the
1667         no-motion solution could be perfectly reasonable if her grip is strong
1668         enough. We know that her hand's interaction with the rope is fundamentally
1669         an electrical interaction between the atoms in the surface of her palm and
1670         the nearby atoms in the surface of the rope. For practical problem-solving,
1671         however, this is a case where we're better off forgetting the fundamental
1672         classification of interactions at the atomic level and working with a more
1673         practical, everyday classification of forces. In this practical scheme, we
1674         have three types of forces that can occur between solid objects in contact:
1675         \index{friction!kinetic}\index{kinetic friction}\index{friction!static}\index{static friction}
1676         \index{normal force}\index{force!normal}
1678         \noindent\begin{tabular}{|lp{65mm}|}
1679                 \hline
1680                 \emph{A normal force, $F_n$,} 
1681                         & is perpendicular to the surface of contact, and prevents objects
1682                                 from passing through each other by becoming as strong
1683                                 as necessary (up to the point where the objects break).
1684                                 ``Normal'' means perpendicular. \\
1685                 \hline
1686                 \emph{Static friction, $F_s$,} 
1687                         & is parallel to the surface of contact, and prevents the surfaces from
1688                                 starting to slip by becoming as strong as necessary, up
1689                                 to a maximum value of $F_{s,max}$. 
1690                                 ``Static'' means not moving, i.e., not slipping.\\
1691                 \hline
1692                 \emph{Kinetic friction, $F_k$,} 
1693                         & is parallel to the surface of contact, and tends to slow down
1694                                 any slippage once it starts.
1695                                 ``Kinetic'' means moving, i.e., slipping. \\
1696                 \hline
1697         \end{tabular}
1699         <% self_check('frictionnormal',<<-'SELF_CHECK'
1700 Can a frictionless surface exert a normal force? Can
1701         a frictional force exist without a normal force?
1702   SELF_CHECK
1703   ) %>
1705         If you put a coin on this page, which is horizontal, gravity pulls down on the coin,
1706         but the atoms in the paper and the coin repel each other electrically, and the atoms
1707         are compressed until the repulsion becomes strong enough to stop the downward
1708         motion of the coin. We describe this complicated and invisible atomic process by
1709         saying that the paper makes an upward normal force on the coin, and the coin
1710         makes a downward normal force on the paper. (The two normal forces are related by
1711         Newton's third law. In fact, Newton's third law only relates forces that are of the same
1712         type.)
1714         If you now tilt the book a little, static friction keeps the coin from slipping. The
1715         picture at the microscopic level is even more complicated than the previous
1716         description of the normal force. One model is to think of the tiny bumps and
1717         depressions in the coin as settling into the similar irregularities in the paper.
1718         This model predicts that rougher surfaces should have more friction, which is
1719         sometimes true but not always. Two very smooth, clean glass surfaces or very well
1720         finished machined metal surfaces may actually stick \emph{better} than
1721         rougher surfaces would, the probable explanation being that there is some kind of
1722         chemical bonding going on, and the smoother surfaces allow more atoms to be
1723         in contact.
1725         Finally, as you tilt the book more and more, there comes a point where static
1726         friction reaches its maximum value. The surfaces become unstuck, and the
1727         coin begins to slide over the paper. Kinetic friction slows down this slipping motion
1728         significantly. In terms of energy, kinetic friction is converting mechanical energy
1729         into heat, just like when you rub your hands together to keep warm. One model
1730         of kinetic friction is that the tiny irregularities in the two surfaces bump against
1731         each other, causing vibrations whose energy rapidly converts to heat and sound ---
1732         you can hear this sound if you rub your fingers together near your ear.
1733 <% marg(120) %>
1735   fig(
1736     'waiter',
1737     %q{%
1738       Static friction: the tray doesn't slip on
1739       the waiter's fingers.
1740     }
1741   )
1743 \spacebetweenfigs
1745   fig(
1746     'skid',
1747     %q{Kinetic friction: the car skids.}
1748   )
1751 <% end_marg %>%
1753         For \emph{dry} surfaces, experiments show that the following equations 
1754         usually work fairly well:
1755         \begin{equation*}
1756                 F_{s,max} \approx \mu_sF_n \qquad ,
1757         \end{equation*}
1758         and
1759         \begin{equation*}
1760                 F_k \approx \mu_kF_n \qquad ,
1761         \end{equation*}
1762         where $\mu_s$, the coefficient of
1763         static friction,\index{static friction!coefficient of}\index{coefficient of static friction}
1764          and $\mu_k$, the coefficient of kinetic
1765         friction,\index{kinetic friction!coefficient of}\index{coefficient of kinetic friction}
1766          are constants that depend on the properties of the
1767         two surfaces, such as what they're made of and how rough they are.
1769 <% self_check('static-or-kinetic',<<-'SELF_CHECK'
1770 1. When a baseball player slides in to a base, is the
1771 friction static, or kinetic?
1773 \noindent 2. A mattress stays on the roof of a slowly accelerating
1774 car. Is the friction static, or kinetic?
1776 \noindent 3. Does static friction create heat? Kinetic friction?
1777   SELF_CHECK
1778   ) %>
1780 \pagebreak
1782         \begin{eg}{Maximum acceleration of a car}
1783         \egquestion
1784         Rubber on asphalt gives $\mu_k\approx0.4$ and $\mu_s\approx 0.6$.
1785         What is the upper limit on a car's acceleration on a flat road, assuming that the engine
1786         has plenty of power and that air friction is negligible?
1788         \eganswer
1789         This isn't a flying car, so we don't expect it to accelerate vertically. The vertical forces acting on the car should cancel out.
1790         The earth makes a downward gravitational force on the car whose absolute value is $mg$, so the road apparently makes an upward normal force
1791         of the same magnitude, $F_n= mg$.
1793         Now what about the horizontal motion? As is always true, the coefficient
1794         of static friction is greater than the coefficient of kinetic friction, so the maximum acceleration
1795         is obtained with static friction, i.e., the driver should try not to burn rubber.
1796         The maximum force of static friction is $F_{s,max}=\mu_{s} F_{n} =\mu_s mg$. The maximum acceleration is 
1797         $a= F_s/ m=\mu_{s} g\approx6\ \munit/\sunit^2$. This
1798         is true regardless of how big the tires are, since the experimentally determined
1799         relationship $F_{s,max}=\mu_{s} F_n$ is independent of
1800         surface area.
1801         \end{eg}
1803         
1804 <% self_check('find-directions-of-forces',<<-'SELF_CHECK'
1805 Find the direction of each of the forces in 
1806 figure \figref{sc-find-directions-of-forces}.
1807   SELF_CHECK
1808   ) %>
1811   fig(
1812     'sc-find-directions-of-forces',
1813     %q{%
1814       1. The
1815       cliff's normal force on the climber's feet.
1816       2. The track's static frictional force on the wheel of
1817       the accelerating dragster.
1818       3. The ball's normal force on the bat.
1819     },
1820     {
1821       'width'=>'wide',
1822       'sidecaption'=>true
1823     }
1824   )
1827 \begin{eg}{Locomotives}\label{eg:locomotives}
1828 Looking at a picture of a locomotive, \figref{locomotive}, we notice
1829 two obvious things that are different from an automobile. Where a car
1830 typically has two drive wheels, a locomotive normally has many --- ten
1831 in this example. (Some also have smaller, unpowered wheels in front of and
1832 behind the drive wheels, but this example doesn't.) Also, cars these days are generally built to be as light as possible
1833 for their size, whereas locomotives are very massive, and no effort seems to be made
1834 to keep their weight low. (The steam locomotive in the photo is from about 1900, but this
1835 is true even for modern diesel and electric trains.)
1836 <% fig('locomotive','Example \ref{eg:locomotives}.',
1837     {
1838       'width'=>'wide',
1839       'sidecaption'=>true
1840     }
1841 ) %>
1843 The reason locomotives are built to be so heavy is for traction. The upward normal force of
1844 the rails on the wheels, $F_N$, cancels the downward force of gravity, $F_W$, so ignoring plus and minus
1845 signs, these two forces are equal in absolute value, $F_N=F_W$. Given this amount of normal
1846 force, the maximum force of static friction is $F_s=\mu_s F_N=\mu_s F_W$. This static frictional
1847 force, of the rails pushing forward on the wheels, is the only force that can accelerate the
1848 train, pull it uphill, or cancel out the force of air resistance while cruising at constant speed.
1849 The coefficient of static friction for steel on steel is about 1/4, so no locomotive can pull
1850 with a force greater than about 1/4 of its own weight. If the engine is capable of supplying
1851 more than that amount of force, the result will be simply to break static friction and spin the wheels.
1853 The reason this is all so different from the situation with a car is that a car isn't pulling
1854 something else. If you put extra weight in a car, you improve the traction, but you also
1855 increase the inertia of the car, and make it just as hard to accelerate. In a train, the inertia
1856 is almost all in the cars being pulled, not in the locomotive.
1858 The other fact we have to explain is the large number of driving wheels. First, we have to
1859 realize that increasing the number of driving wheels neither increases nor decreases the
1860 total amount of static friction, because static friction is independent of the amount of
1861 surface area in contact. (The reason four-wheel-drive is good in a car is that if one or
1862 more of the wheels is slipping on ice or in mud, the other wheels may still have traction.
1863 This isn't typically an issue for a train, since all the wheels experience the same conditions.)
1864 The advantage of having more driving wheels on a train is that it allows us to increase the weight of the locomotive
1865 without crushing the rails, or damaging bridges.
1866 \end{eg}
1867         
1869 <% end_sec() %>
1870 <% begin_sec("Fluid friction") %>\index{friction!fluid}
1872 Try to drive a nail into a waterfall and you will be
1873 confronted with the main difference between solid friction
1874 and fluid friction. Fluid friction is purely kinetic; there
1875 is no static fluid friction. The nail in the waterfall may
1876 tend to get dragged along by the water flowing past it, but
1877 it does not stick in the water. The same is true for gases
1878 such as air: recall that we are using the word ``fluid'' to
1879 include both gases and liquids.
1881 Unlike kinetic friction between solids, fluid friction
1882 increases rapidly with velocity. It also depends
1883 on the shape of the object, which is why a fighter jet is
1884 more streamlined than a Model T.
1885 For objects of the same shape but different sizes, fluid friction
1886 typically scales up with the cross-sectional area of the
1887 object, which is one of the main reasons that an SUV gets
1888 worse mileage on the freeway than a compact car.
1889 <% marg(80) %>
1891   fig(
1892     'hummer-vs-prius',
1893     %q{%
1894       The wheelbases of the Hummer H3 and the Toyota Prius are surprisingly similar,
1895       differing by only 10\%. The main difference in shape is that the Hummer is much taller and wider.
1896       It presents a much greater cross-sectional area to the wind, and this is the main
1897       reason that it uses about 2.5 times more gas on the freeway.
1898     }
1899   )
1901 <% end_marg %>
1903 \startdq
1905 \begin{dq}
1906 Criticize the following analysis: ``A book is sitting on a table. I shove it, overcoming
1907 static friction. Then it slows down until it has less force than static friction, and it stops.''
1908 \end{dq}
1910 <% end_sec %>
1911 <% begin_sec("Analysis of forces",0,'analysis-of-forces') %>\index{force!analysis of forces}
1913 Newton's first and second laws deal with the total of all
1914 the forces exerted on a specific object, so it is very
1915 important to be able to figure out what forces there are.
1916 Once you have focused your attention on one object and
1917 listed the forces on it, it is also helpful to describe all
1918 the corresponding forces that must exist according to
1919 Newton's third law. We refer to this as ``analyzing the
1920 forces'' in which the object participates.
1922 \begin{egwide}{A barge}
1923 A barge is being pulled along a canal by teams of horses on
1924 the shores. Analyze all the forces in which the barge participates.
1926 \vspace{2mm}
1928 \begin{tabular}{|p{70mm}|p{70mm}|}
1929 \hline
1930 \emph{force acting on barge}  &   \emph{force related to it by Newton's third law} \\
1931 \hline
1932 ropes' forward normal forces on barge  &  barge's backward normal force on ropes\\
1933 \hline
1934 water's backward fluid friction force on barge  &  barge's forward fluid friction force on water\\
1935 \hline
1936 planet earth's downward gravitational force on barge  &  barge's upward gravitational force on earth\\
1937 \hline
1938 water's upward ``floating'' force on barge  &  barge's downward ``floating'' force on water\\
1939 \hline
1940 \end{tabular}
1942 \vspace{2mm}
1944 Here I've used the word ``floating'' force as an example of
1945 a sensible invented term for a type of force not classified
1946 on the tree in the previous section. A more formal technical
1947 term would be ``hydrostatic force.''
1949 Note how the pairs of forces are all structured as ``A's
1950 force on B, B's force on A'': ropes on barge and barge on
1951 ropes; water on barge and barge on water. Because all the
1952 forces in the left column are forces acting on the barge,
1953 all the forces in the right column are forces being exerted
1954 by the barge, which is why each entry in the column
1955 begins with ``barge.''
1956 \end{egwide}
1958 Often you may be unsure whether you have missed one of
1959 the forces. Here are three strategies for checking your list:
1961 \begin{indentedblock}
1962 \noindent 1. See what physical result would come from the forces
1963 you've found so far. Suppose, for instance, that you'd
1964 forgotten the ``floating'' force on the barge in the example
1965 above. Looking at the forces you'd found, you would have
1966 found that there was a downward gravitational force on the
1967 barge which was not canceled by any upward force. The barge
1968 isn't supposed to sink, so you know you need to find a
1969 fourth, upward force.
1971 \noindent 2. Whenever one solid object touches another, there will
1972 be a normal force, and possibly also a frictional force; check for
1973 both.
1975 \noindent 3. Make a drawing of the object, and draw a dashed boundary
1976 line around it that separates it from its environment. Look
1977 for points on the boundary where other objects come in
1978 contact with your object. This strategy guarantees that
1979 you'll find every contact force that acts on the object,
1980 although it won't help you to find non-contact forces.
1982 \end{indentedblock}
1984 The following is another example in which we can profit by
1985 checking against our physical intuition for what should be happening.
1987 \begin{egwide}{Rappelling}
1988 As shown in the figure below, Cindy is rappelling down a
1989 cliff. Her downward motion is at constant speed, and she
1990 takes little hops off of the cliff, as shown by the dashed
1991 line. Analyze the forces in which she participates at a
1992 moment when her feet are on the cliff and she is pushing off.
1994 \begin{tabular}{|p{70mm}|p{70mm}|}
1995 \hline
1996 \emph{force acting on Cindy}  &   \emph{force related to it by Newton's third law} \\
1997 \hline
1998 planet earth's downward gravitational force on Cindy  &  Cindy's upward gravitational force on earth\\
1999 \hline
2000 ropes upward frictional force on Cindy (her hand)  &  Cindy's downward frictional force on the rope\\
2001 \hline
2002 cliff's rightward normal force on Cindy  &  Cindy's leftward normal force on the cliff\\
2003 \hline
2004 \end{tabular}
2006 The two vertical forces cancel, which is what they should be
2007 doing if she is to go down at a constant rate. The only
2008 horizontal force on her is the cliff's force, which is not
2009 canceled by any other force, and which therefore will
2010 produce an acceleration of Cindy to the right. This makes
2011 sense, since she is hopping off. (This solution is a little
2012 oversimplified, because the rope is slanting, so it also
2013 applies a small leftward force to Cindy. As she flies out to
2014 the right, the slant of the rope will increase, pulling her
2015 back in more strongly.)
2016 \end{egwide}
2018 \anonymousinlinefig{eg-rappelling}
2020 I believe that constructing the type of table described in
2021 this section is the best method for beginning students. Most
2022 textbooks, however, prescribe a pictorial way of showing all
2023 the forces acting on an object. Such a picture is called a
2024 free-body diagram. It should not be a big problem if a
2025 future physics professor expects you to be able to draw such
2026 diagrams, because the conceptual reasoning is the same. You
2027 simply draw a picture of the object, with arrows representing
2028 the forces that are acting on it. Arrows representing
2029 contact forces are drawn from the point of contact,
2030 noncontact forces from the center of mass. Free-body
2031 diagrams do not show the equal and opposite forces exerted
2032 by the object itself.
2034 \startdqs
2036 \begin{dq}
2037 When you fire a gun, the exploding gases push outward in
2038 all directions, causing the bullet to accelerate down the
2039 barrel. What Newton's-third-law pairs are involved? [Hint: Remember
2040 that the gases themselves are an object.] 
2041 \end{dq}
2043 \begin{dq}
2044 In the example of the barge going down the canal, I
2045 referred to a ``floating'' or ``hydrostatic'' force that
2046 keeps the boat from sinking. If you were adding a new branch
2047 on the force-classification tree to represent this
2048 force, where would it go?
2049 \end{dq}
2051 \pagebreak
2053 \begin{dq}
2054 A pool ball is rebounding from the side of the pool
2055 table. Analyze the forces in which the ball participates
2056 during the short time when it is in contact with the side of the table.
2057 \end{dq}
2059 \begin{dq}\label{dq:shovel}
2060 The earth's gravitational force on you, i.e., your weight,
2061 is always equal to $mg$, where $m$ is your mass. So why
2062 can you get a shovel to go deeper into the ground by jumping
2063 onto it? Just because you're jumping, that doesn't mean your
2064 mass or weight is any greater, does it?
2065 \end{dq}
2067 <% end_sec() %>
2068 <% begin_sec("Transmission of forces by low-mass objects",nil,'transmitforces') %>%
2069 \index{force!transmission}\index{transmission of forces}
2071 You're walking your dog. The dog wants to go faster than you
2072 do, and the leash is taut. Does Newton's third law guarantee
2073 that your force on your end of the leash is equal and
2074 opposite to the dog's force on its end? If they're not
2075 exactly equal, is there any reason why they should be
2076 approximately equal?
2078 If there was no leash between you, and you were in direct
2079 contact with the dog, then Newton's third law would apply,
2080 but Newton's third law cannot relate your force on the leash
2081 to the dog's force on the leash, because that would involve
2082 three separate objects. Newton's third law only says that
2083 your force on the leash is equal and opposite to the
2084 leash's force on you,
2085 \begin{equation*}
2086         F_{yL}  =  - F_{Ly}  ,
2087 \end{equation*}
2089 and that the dog's force on the leash is equal and opposite
2090 to its force on the dog
2091 \begin{equation*}
2092         F_{dL}  =  - F_{Ld}  .
2093 \end{equation*}
2094 Still, we have a strong intuitive expectation that whatever
2095 force we make on our end of the leash is transmitted to the
2096 dog, and vice-versa. We can analyze the situation by
2097 concentrating on the forces that act on the leash, $F_{dL}$
2098 and $F_{yL}$. According to Newton's second law, these relate
2099 to the leash's mass and acceleration:
2100 \begin{equation*}
2101         F_{dL} + F_{yL}  =  m_La_L  .
2102 \end{equation*}
2103 The leash is far less massive then any of the other objects
2104 involved, and if $m_L$ is very small, then apparently the
2105 total force on the leash is also very small, $F_{dL}$ +
2106 $F_{yL}\approx 0$, and therefore
2107 \begin{equation*}
2108  F_{dL}\approx - F_{yL} \qquad .
2109 \end{equation*}
2110 Thus even though Newton's third law does not apply directly
2111 to these two forces, we can approximate the low-mass leash
2112 as if it was not intervening between you and the dog. It's
2113 at least approximately as if you and the dog were acting
2114 directly on each other, in which case Newton's third
2115 law would have applied.
2117 In general, low-mass objects can be treated approximately as
2118 if they simply transmitted forces from one object to
2119 another. This can be true for strings, ropes, and cords, and
2120 also for rigid objects such as rods and sticks.
2122   fig(
2123     'tension',
2124     %q{%
2125       If we imagine dividing a taut
2126       rope up into small segments, then any segment has forces
2127       pulling outward on it at each end. If the rope is of
2128       negligible mass, then all the forces equal
2129       $+T$ or $-T$, where $T$, the tension, is a single number.
2130     },
2131     {
2132       'width'=>'wide'
2133     }
2134   )
2137 If you look at a piece of string under a magnifying glass as
2138 you pull on the ends more and more strongly, you will see
2139 the fibers straightening and becoming taut. Different parts
2140 of the string are apparently exerting forces on each other.
2141 For instance, if we think of the two halves of the string as
2142 two objects, then each half is exerting a force on the other
2143 half. If we imagine the string as consisting of many small
2144 parts, then each segment is transmitting a force to the next
2145 segment, and if the string has very little mass, then all
2146 the forces are equal in magnitude. We refer to the magnitude
2147 of the forces as the tension in the string, $T$.\index{tension}
2149 The term ``tension'' refers only to internal forces within the string.
2150 If the string makes
2151 forces on objects at its ends, then those forces are typically
2152 normal or frictional forces (example \ref{eg:types-of-forces-made-by-ropes}).
2154 \begin{eg}{Types of force made by ropes}\label{eg:types-of-forces-made-by-ropes}
2155 \egquestion Analyze the forces in figures \subfigref{tension-is-not-a-type-of-force}{1}
2156 and \subfigref{tension-is-not-a-type-of-force}{2}.
2158 \eganswer
2159 In all cases, a rope can only make ``pulling'' forces, i.e., forces that are parallel to its own length
2160 and that are toward itself, not away from itself. You can't push with a rope!
2162 In \subfigref{tension-is-not-a-type-of-force}{1}, the rope passes through a type of hook, called a
2163 carabiner, used in rock climbing and mountaineering. Since the rope can only pull along its own length,
2164 the direction of its force on the carabiner must be down and to the right. This is perpendicular to
2165 the surface of contact, so the force is a normal force.
2166 <% marg(80) %>
2168   fig(
2169     'tension-is-not-a-type-of-force',
2170     %q{%
2171       Example \ref{eg:types-of-forces-made-by-ropes}. The forces between the rope and other objects are normal and frictional forces.
2172     }
2173   )
2175 <% end_marg %>
2177 \begin{tabular}{|p{52mm}|p{52mm}|}
2178 \hline
2179 \emph{force acting on carabiner}  &   \emph{force related to it by Newton's third law} \\
2180 \hline
2181 rope's normal force on carabiner \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/5-oclock} &
2182           carabiner's normal force on rope \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/11-oclock} \\
2183 \hline
2184 \end{tabular}
2186 (There are presumably other forces acting on the carabiner from other hardware above it.)
2188 In figure \subfigref{tension-is-not-a-type-of-force}{2}, the rope can only exert a net force at its end that is
2189 parallel to itself and in the pulling direction, so its force on the hand is down and to the left.
2190 This is parallel
2191 to the surface of contact, so it must be a frictional force. If the rope isn't slipping through the hand,
2192 we have static friction. Friction can't exist without normal forces. These forces are perpendicular to the
2193 surface of contact.
2194 For simplicity, we show only two pairs of these normal forces, as if the hand were a pair of pliers.
2196 \begin{tabular}{|p{52mm}|p{52mm}|}
2197 \hline
2198 \emph{force acting on person}  &   \emph{force related to it by Newton's third law} \\
2199 \hline
2200 rope's static frictional force on person \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/8-oclock} &
2201           person's static frictional force on rope \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/2-oclock} \\
2202 \hline
2203 rope's normal force on \linebreak[4] person \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/11-oclock} &
2204           person's normal force on \linebreak[4]  rope \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/5-oclock} \\
2205 \hline
2206 rope's normal force on \linebreak[4] person \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/5-oclock} &
2207           person's normal force on \linebreak[4] rope \hfill \anonymousinlinefig{../../../share/misc/arrows/11-oclock} \\
2208 \hline
2209 \end{tabular}
2211 (There are presumably other forces acting on the person as well, such as gravity.)
2213 \end{eg}
2216 If a rope goes over a pulley or around some other object,
2217 then the tension throughout the rope is approximately equal
2218 so long as the pulley has negligible mass and there is not too much friction. A rod or stick
2219 can be treated in much the same way as a string, but it is
2220 possible to have either compression or tension.
2222 \startdq
2224 \begin{dq}
2225 When you step on the gas pedal, is your foot's force being
2226 transmitted in the sense of the word used in this section?
2227 \end{dq}
2229 <% end_sec() %>
2231 \vspace{20mm}
2233 <% begin_sec("Work") %>
2234         <% begin_sec("Energy transferred to a particle") %>
2235         To change the kinetic energy, $K=(1/2)mv^2$, of a particle moving in one dimension, 
2236         we must change its velocity. That will entail a change in its momentum, $p=mv$, as
2237         well, and since force is the rate of transfer of momentum, we conclude that the only
2238         way to change a particle's kinetic energy is to apply a force.\footnote{The converse
2239         isn't true, because kinetic energy doesn't depend on the direction of motion, but
2240         momentum does. We can change a particle's momentum without changing its
2241         energy, as when a pool ball bounces off a bumper, reversing the sign of $p$.}
2242         A force in the same direction as the motion speeds it up, increasing the kinetic
2243         energy, while a force in the opposite direction slows it down.
2245         Consider an infinitesimal time interval during which the particle moves
2246         an infinitesimal distance $\der{}x$, and its kinetic energy changes by $\der{}K$.
2247         In one dimension,
2248         we represent the direction of the force and the direction of the motion with
2249         positive and negative signs for $F$ and $\der{}x$, so the relationship among the
2250         signs can be summarized as follows:
2251         \begin{center}
2252                 \begin{tabular}{|l|l|l|}
2253                 \hline
2254                 $F>0$        & $\der{}x>0$        & $\der{}K>0$ \\
2255                 \hline
2256                 $F<0$        & $\der{}x<0$        & $\der{}K>0$ \\
2257                 \hline
2258                 $F>0$        & $\der{}x<0$        & $\der{}K<0$ \\
2259                 \hline
2260                 $F<0$        & $\der{}x>0$        & $\der{}K<0$ \\
2261                 \hline
2262                 \end{tabular}
2263         \end{center}
2264         This looks exactly like the rule for determining the sign of a product, and
2265         we can easily show using the chain rule that this is indeed a multiplicative
2266         relationship:\label{originalworkderiv}
2267         \begin{align*}
2268                 \der{}K        &= \frac{\der{}K}{\der{}v}\frac{\der{}v}{\der{}t}\frac{\der{}t}{\der{}x}\der{}x
2269                                                 \qquad \text{[chain rule]} \\
2270                                 &= (mv)(a)(1/v)\der{}x \\
2271                                 & = m\,a\,\der{}x \\
2272                                 & = F\,\der{}x \qquad \text{[Newton's second law]}
2273         \intertext{We can verify that force multiplied by distance has units of energy:}
2274                 \nunit\unitdot\munit &= \frac{\kgunit\unitdot\munit/\sunit}{\sunit}\times\munit \\
2275                                 &= \kgunit\unitdot\munit^2/\sunit^2 \\
2276                                 &= \junit
2277         \end{align*}
2279         \begin{eg}{A TV picture tube}
2280         \egquestion
2281         At the back of a typical TV's picture tube, electrical forces accelerate each electron
2282         to an energy of $5\times10^{-16}\ \junit$ over a distance of about 1 cm.
2283         How much force is applied to a single electron? (Assume the force is constant.)
2284         What is the corresponding acceleration?
2286         \eganswer
2287         Integrating
2288         \begin{align*}
2289                 \der{} K        &=  F\der{} x \qquad , 
2290         \intertext{we find}
2291                  K_{f}- K_{i}        &=  F( x_{f}- x_{i}) 
2292         \intertext{or}
2293                 \Delta K &=  F\Delta x \qquad .
2294         \intertext{The force is}
2295                  F &= \Delta K/\Delta x \\
2296                         &= \frac{5\times10^{-16}\ \junit}{ 0.01\ \zu{m}} \\
2297                         & = 5\times10^{-14}\ \nunit \qquad .
2298         \intertext{This may not sound like an impressive force, but it's enough to supply
2299                 an electron with a spectacular acceleration. Looking up the mass of an
2300                 electron on p. \pageref{subatomicparticlesdata}, we find}
2301                  a        &=  F/ m \\
2302                                 &= 5\times10^{16}\ \munit/\sunit^2 \qquad .
2303         \end{align*}
2304         \end{eg}
2306         \begin{eg}{An air gun}
2307                 \egquestion
2308                 An airgun, figure \figref{airgun}, uses compressed air to accelerate
2309                 a pellet. As the pellet moves from $x_1$ to $x_2$,
2310                 the air decompresses, so the force is not constant. Using methods
2311                 from chapter \ref{ch:thermo}, one can show that the air's force
2312                 on the pellet is given by $F= bx^\zu{-7/5}$. A typical high-end
2313                 airgun used for competitive target shooting has
2314                 \begin{align*}
2315                          x_1        &=  0.046\ \zu{m} \qquad , \\
2316                          x_2        &=  0.41\ \zu{m} \qquad , \\
2317                 \intertext{and}
2318                          b        &=  4.4\ \zu{N}\unitdot\munit^\zu{7/5} \qquad . 
2319                 \end{align*}
2320                 What is the kinetic energy of the pellet when it leaves the muzzle?
2321                 (Assume friction is negligible.)
2323 <% marg(90) %>
2325   fig(
2326     'airgun',
2327     %q{A simplified drawing of an airgun.}
2328   )
2330 <% end_marg %>
2332                 \eganswer
2333                 Since the force isn't constant, it would be incorrect to 
2334                 do $F = \Delta K/\Delta x$.
2335                 Integrating both sides of the equation $\der{} K= F\der{} x$, we have
2336                 \begin{align*}
2337                         \Delta K        &= \int_{ x_{1}}^{ x_{2}} F\der{} x \\
2338                                         &= -\frac{5 b}{2}\left( x_2^\zu{-2/5}
2339                                                                 - x_1^\zu{-2/5}\right) \\
2340                                         &= 22\ \zu{J}
2341                 \end{align*}
2342         \end{eg}
2344         In general, when energy is transferred by a force,\footnote{The part of the
2345         definition about ``by a force'' is meant to exclude the transfer of energy
2346         by heat conduction, as when a stove heats soup.} we use the term
2347         \emph{work}\index{work!defined} to refer to the amount of energy transferred.
2348         This is different from the way the word is used in ordinary speech. If you
2349         stand for a long time holding a bag of cement, you get tired, and
2350         everyone will agree that you've worked hard, but you haven't changed the
2351         energy of the cement, so according to the definition of the physics term,
2352         you haven't done any work on the bag. There has been an energy transformation
2353         inside your body, of chemical energy into heat, but this just means that
2354         one part of your body did positive work (lost energy) while another part
2355         did a corresponding amount of negative work (gained energy).
2356 <% marg(-30) %>
2358   fig(
2359     'blackbox',
2360     %q{The black box does work by reeling in its cable.}
2361   )
2363 <% end_marg %>
2365         <% end_sec() %>
2366 <% begin_sec("Work in general") %>
2367         I derived the expression $F\der{}x$ for one particular type of kinetic-energy
2368         transfer, the work done in accelerating a particle,
2369         and then defined work as a more general term. Is the equation
2370         correct for other types of work as well? For example,
2371         if a force lifts a mass $m$ against the resistance of gravity at constant velocity,
2372         the increase in the mass's gravitational energy is $\der{}(mgy)=mg\der{}y=F\der{}y$,
2373         so again the equation works, but this still doesn't prove that the equation is \emph{always}
2374         correct as a way of calculating energy transfers.
2376         Imagine a black box\footnote{``Black box'' is a traditional engineering term
2377         for a device whose inner workings we don't care about.}, containing a gasoline-powered
2378         engine, which is designed to reel in a steel cable, exerting a certain force $F$.
2379         For simplicity, we imagine that this force is always constant, so we can talk about
2380         $\Delta{}x$ rather than an infinitesimal $\der{}x$. If this black box is used to
2381         accelerate a particle (or any mass without internal structure), and no other forces
2382         act on the particle, then the original derivation applies, and the work done by the
2383         box is $W=F\Delta{}x$. Since $F$ is constant, the box will run out of gas after
2384         reeling in a certain amount of cable $\Delta{}x$. The chemical energy inside the box
2385         has decreased by $-W$, while the mass being accelerated has gained $W$ worth
2386         of kinetic energy.\footnote{For conceptual simplicity, we ignore the transfer of
2387         heat energy to the outside world via the exhaust and radiator. In reality, the
2388         sum of these energies plus the useful kinetic energy transferred would equal $W$.}
2390         Now what if we use the black box to pull a plow? The energy increase in the outside
2391         world is of a different type than before; it
2392         takes the forms of (1) the gravitational energy of the dirt that has been lifted out to the
2393         sides of the furrow, (2) frictional heating of the dirt and the plowshare,
2394         and (3) the energy needed to break up the dirt clods (a form of
2395         electrical energy involving the attractions among the atoms in the clod). The box,
2396         however, only communicates with the outside world via the hole through which its
2397         cable passes. The amount of chemical energy lost by the gasoline can therefore
2398         only depend on $F$ and $\Delta{}x$, so it is the same $-W$ as when the
2399         box was being used to accelerate a mass, and thus by conservation of energy, the
2400         work done on the outside world is again $W$.
2402 <% marg(100) %>
2404   fig(
2405     'kcm',
2406     %q{%
2407       The wheel spinning in the air has $K_{cm}=0$. The space
2408               shuttle has all its kinetic energy in the form of center of mass motion, $K=K_{cm}$.
2409               The rolling ball has some, but not all, of its energy in the form of center
2410               of mass motion, $K_{cm}<K$.\photocredit{Space Shuttle photo by NASA}
2411     }
2412   )
2414 <% end_marg %>
2415         This is starting to sound like a proof that the force-times-distance method
2416         is always correct, but there was one subtle assumption involved, which was that
2417         the force was exerted at one point (the end of the cable, in the black box example). 
2418         Real life often isn't like that. For example, a cyclist exerts forces on both pedals
2419         at once. Serious cyclists use toe-clips, and the conventional wisdom is that one
2420         should use equal amounts of force on the upstroke and downstroke, to make full
2421         use of both sets of muscles. This is  a two-dimensional example, since the
2422         pedals go in circles. We're
2423          only discussing one-dimensional motion right now, so let's just
2424         pretend that the upstroke and downstroke are both executed in straight lines.
2425         Since the forces are in opposite directions, one is positive and one is negative.
2426         The cyclist's \emph{total} force on the crank set is zero, but the work done isn't
2427         zero. We have to add the work done by each stroke, $W=F_1\Delta{}x_1+F_2\Delta{}x_2$.
2428         (I'm pretending that both forces are constant, so we don't have to do integrals.)
2429         Both terms are positive; one is a positive number multiplied by a positive number,
2430         while the other is a negative times a negative.
2432         This might not seem like a big deal --- just remember not to use the total force ---
2433         but there are many situations where the total force is all we can measure. The ultimate
2434         example is heat conduction. Heat conduction is not supposed to be counted as a form
2435         of work, since it occurs without a force. But at the atomic level, there are forces, and
2436         work is done by one atom on another. When you hold a hot potato in your hand, the
2437         transfer of heat energy through your skin takes place with a total force that's extremely
2438         close to zero. At the atomic level, atoms in your skin are interacting electrically with
2439         atoms in the potato, but the attractions and repulsions add up to zero total force.
2440         It's just like the cyclist's feet acting on the pedals, but with zillions of forces involved
2441         instead of two. There is no practical way to measure all the individual forces, and
2442         therefore we can't calculate the total energy transferred.
2444         To summarize, $\sum{F_j\der{}x_j}$ is a correct way of calculating work, where
2445         $F_j$ is the individual force acting on particle $j$, which moves a distance
2446         $\der{}x_j$. However, this is only useful if
2447         you can identify all the individual forces and determine the distance moved at
2448         each point of contact. For convenience, I'll refer to this as the
2449         \emph{work theorem}\index{work theorem}. (It doesn't have a standard name.)
2451         There is, however, something useful we can do with the total force. We can use it
2452         to calculate the part of the work done on an object that consists of a change in the
2453         kinetic energy it has due to the motion of its center of mass. The proof is essentially
2454         the same as the proof on p.~\pageref{originalworkderiv}, except that now we don't
2455         assume the force is acting on a single particle, so we have to
2456         be a little more delicate. Let the object consist of $n$ particles. Its total kinetic
2457         energy is $K=\sum_{j=1}^n{(1/2)m_jv_j^2}$, but this is what we've already
2458         realized \emph{can't} be calculated using the total force. The kinetic energy it
2459         has due to motion of its center of mass is
2460         \begin{align*}
2461                 K_{cm}        &= \frac{1}{2}m_{total}v_{cm}^2 \qquad .
2462         \end{align*}
2463         Figure \figref{kcm} shows some examples of the distinction between $K_{cm}$ and $K$.
2464         Differentiating $K_{cm}$, we have
2465         \begin{align*}
2466                 \der{}K_{cm}        &= m_{total}v_{cm}\der{}v_{cm} \\
2467                                 &= m_{total}v_{cm}
2468                                                 \frac{\der{}v_{cm}}{\der{}t}\frac{\der{}t}{\der{}x_{cm}}\der{}x_{cm}
2469                                                 \qquad \text{[chain rule]} \\
2470                                 &= m_{total}\frac{\der{}v_{cm}}{\der{}t}\der{}x_{cm} 
2471                                                 \qquad \text{[$\der{}t/\der{}x_{cm}=1/v_{cm}$]} \\
2472                                 &= \frac{\der{}p_{total}}{\der{}t}\der{}x_{cm} 
2473                                                 \qquad \text{[$p_{total}=m_{total}v_{cm}$]} \\
2474                                 &= F_{total}\der{}x_{cm}  
2475         \end{align*}
2476         I'll call this the \emph{kinetic energy theorem}\index{kinetic energy theorem} ---
2477         like the work theorem, it has no standard name. 
2478         
2479         \enlargethispage{-\baselineskip}
2481         \begin{eg}{An ice skater pushing off from a wall}
2482         The kinetic energy theorem tells us how to calculate
2483         the skater's kinetic energy if we know the amount of force
2484         and the distance her center of mass travels while she is
2485         pushing off.
2486         
2487         The work theorem tells us that the wall does no work on
2488         the skater, since the point of contact isn't moving.
2489         This makes sense, because the wall does not  have
2490         any source of energy.
2491         \end{eg}
2492         
2493         \begin{eg}{Absorbing an impact without recoiling?}
2494         \egquestion
2495         Is it possible to absorb an impact without
2496         recoiling? For instance, if a ping-pong ball hits
2497         a brick wall, does the wall ``give'' at all?
2498         
2499         \eganswer
2500         There will always be a recoil. In the example
2501         proposed, the wall will surely have some energy transferred
2502         to it in the form of heat and vibration. The work theorem
2503         tells us that we can only have an energy transfer if the distance
2504         traveled by the point of contact is nonzero.
2505         \end{eg}
2506         
2507         
2508         
2509         \begin{eg}{Dragging a refrigerator at constant velocity}
2510         The fridge's momentum is constant, so there is no net
2511         momentum transfer, and the total force on it
2512         must be zero: your force is canceling the
2513         floor's kinetic frictional force. The kinetic energy
2514         theorem is therefore true but useless. It tells us that
2515         there is zero total force on the refrigerator, and that the
2516         refrigerator's kinetic energy doesn't change.
2517         
2518         The work theorem tells us that the work you do equals
2519         your hand's force on the refrigerator multiplied by the
2520         distance traveled. Since we know the floor has no source of
2521         energy, the only way for the floor and refrigerator to gain
2522         energy is from the work you do. We can thus calculate the
2523         total heat dissipated by friction in the refrigerator and
2524         the floor.
2525         
2526         Note that there is no way to find how much of the heat is
2527         dissipated in the floor and how much in the refrigerator.
2528         \end{eg}
2530         \begin{eg}{Accelerating a cart}
2531         If you push on a cart and accelerate it, there are two
2532         forces acting on the cart: your hand's force, and the static
2533         frictional force of the ground pushing on the wheels in the
2534         opposite direction.
2535         
2536         Applying the work theorem to your force tells us how to
2537         calculate the work you do.
2538         
2539         Applying the work theorem to the floor's force tells us
2540         that the floor does no work on the cart. There is no motion
2541         at the point of contact, because the atoms in the floor are
2542         not moving. (The atoms in the surface of the wheel are also
2543         momentarily at rest when they touch the floor.) This makes
2544         sense, because the floor does not have any source of energy.
2545         
2546         The kinetic energy theorem refers to the total force,
2547         and because the floor's backward force cancels part of your
2548         force, the total force is less than your force. This tells
2549         us that only part of your work goes into the kinetic energy
2550         associated with the forward motion of the cart's center of
2551         mass. The rest goes into rotation of the wheels.
2552         \end{eg}
2554 \startdqs
2556 \begin{dq}
2557 Criticize the following incorrect statement: ``A force
2558 doesn't do any work unless it's causing the object to move.''
2559 \end{dq}
2560 \begin{dq}\label{dq:brakingdistance}
2561 To stop your car, you must first have time to react, and
2562 then it takes some time for the car to slow down. Both of
2563 these times contribute to the distance you will travel
2564 before you can stop. The figure shows how the average
2565 stopping distance increases with speed. Because the stopping
2566 distance increases more and more rapidly as you go faster,
2567 the rule of one car length per 10 m.p.h. of speed is not
2568 conservative enough at high speeds. In terms of work and
2569 kinetic energy, what is the reason for the more rapid
2570 increase at high speeds?
2571 \end{dq}
2573   fig(
2574     'brakingdistance',
2575     %q{Discussion question \ref{dq:brakingdistance}.},
2576     {
2577       'width'=>'wide'
2578     }
2579   )
2582 <% end_sec() %>
2583 <% end_sec() %>
2585 \pagebreak
2587 <% begin_sec("Simple machines") %>
2589 <% marg(-55) %>
2591   fig(
2592     'pulley1',
2593     %q{The force is transmitted to the block.}
2594   )
2596                 \spacebetweenfigs%
2597                 %
2599   fig(
2600     'pulley2',
2601     %q{A mechanical advantage of 2.}
2602   )
2604                 \spacebetweenfigs%
2605                 %
2607   fig(
2608     'pulley3',
2609     %q{An inclined plane.}
2610   )
2612 <% end_marg %>
2614         Conservation of energy provided the necessary tools for analyzing some
2615         mechanical systems, such as the seesaw on page \pageref{eg:seesaw} and the
2616         pulley arrangements of the homework problems on page \pageref{hw:atwood-energy-sn}, but we could
2617         only analyze those machines by computing the total energy of the system.
2618         That approach wouldn't work for systems like the biceps/forearm
2619         machine on page \pageref{fig:biceps}, or the one in figure \figref{pulley1},
2620         where the energy content of the person's body is impossible to compute
2621         directly. Even though the seesaw and the biceps/forearm system were clearly
2622         just two different forms of the lever, we had no way to treat them both on the
2623         same footing.
2624         We can now successfully attack such problems using the work and
2625         kinetic energy theorems.
2627         \begin{eg}{Constant tension around a pulley}
2628         \egquestion
2629         In figure \figref{pulley1}, what is the relationship between the
2630         force applied by the person's hand and the force exerted on the block?
2632         \eganswer
2633         If we assume the rope and the pulley are ideal, i.e., frictionless and
2634         massless, then there is no way for them to absorb or release energy,
2635         so the work done by the hand must be the same as the work done
2636         on the block. Since the hand and the block move the same distance,
2637         the work theorem tells us the two forces are the same.
2639         Similar arguments provide an alternative justification for the statement
2640         made in section \ref{subsec:transmitforces} that
2641         show that an idealized rope
2642         exerts the same force, the tension,\index{tension} anywhere it's attached to something, and the same
2643         amount of force is also exerted by each segment of the rope on the neighboring
2644         segments. Going around an ideal pulley also has no effect on the tension.
2646         This is an example of a simple machine,\index{simple machine}
2647          which is any mechanical system
2648         that manipulates forces to do work. This particular machine reverses the
2649         direction of the motion, but doesn't change the force or the speed of motion.
2650         \end{eg}
2652         \begin{eg}{A mechanical advantage}
2653         The idealized pulley in figure \figref{pulley2} has negligible
2654         mass, so its kinetic energy is zero, and the kinetic energy theorem
2655         tells us that the total force on it is zero. We know, as in the preceding
2656         example, that the two forces
2657         pulling it to the right are equal to each other, so the force on the left
2658         must be twice as strong. This simple machine doubles the applied force,
2659         and we refer to this ratio as a \emph{mechanical advantage} (M.A.) of 2.
2660         There's no such thing as a free lunch, however; the distance traveled by
2661         the load is cut in half, and there is no increase in the amount of work done.
2662         \end{eg}
2663         
2664         \begin{eg}{Inclined plane and wedge}\label{eg:inclinedplanework}
2665         In figure \figref{pulley3}, the force applied by the hand is equal
2666         to the one applied to the load, but there is a mechanical advantage compared
2667         to the force that would have been required to lift the load straight up.
2668         The distance traveled up the inclined plane is greater by a factor of 1/sin $\theta$,
2669         so by the work theorem, the force is smaller by a factor of sin $\theta$,
2670         and we have M.A.=1/sin $\theta$. The wedge, \figref{wedge}, is similar.
2671         \end{eg}
2672         
2673         \begin{eg}{Archimedes' screw}
2674         In one revolution, the crank travels a distance $2\pi{} b$, and the water
2675         rises by a height $h$. The mechanical advantage is $2\pi{} b/ h$.
2676         \end{eg}
2677 <% marg(40) %>
2679   fig(
2680     'wedge',
2681     %q{A wedge.}
2682   )
2684 \spacebetweenfigs%
2686   fig(
2687     'archimedesscrew',
2688     %q{Archimedes' screw}
2689   )
2691 <% end_marg %>%
2693 <% end_sec() %>
2694 <% begin_sec("Force related to interaction energy") %>
2695         In section \ref{gravphenomenasection}, we saw that there were two equivalent
2696         ways of looking at gravity, the gravitational field and the gravitational energy.
2697         They were related by the equation $\der{}U=mg\der{}r$, so if we knew the
2698         field, we could find the energy by integration, $U=\int{mg\der{}r}$, and if we
2699         knew the energy, we could find the field by differentiation, $g=(1/m)\der{}U/\der{}r$.
2701         The same approach can be applied to other interactions, for example
2702         a mass on a spring. The main difference is that only in gravitational interactions
2703         does the strength of the interaction depend on the mass of the object, so
2704         in general, it doesn't make sense to separate out the factor of $m$ as in the
2705         equation $\der{}U=mg\der{}r$. Since $F=mg$ is the gravitational force,
2706         we can rewrite the equation in the more suggestive
2707         form $\der{}U=F\der{}r$. This form no longer refers to gravity specifically, and
2708         can be applied much more generally. The only remaining detail is that I've been
2709         fairly cavalier about positive and negative signs up until now. That wasn't such
2710         a big problem for gravitational interactions, since gravity is always attractive, but
2711         it requires more careful treatment for nongravitational forces, where we don't
2712         necessarily know the direction of the force in advance, and we need to use
2713         positive and negative signs carefully for the direction of the force.
2715         In general, suppose that forces are acting on a particle --- we can think of them
2716         as coming from other objects that are ``off stage'' --- and that the interaction between
2717         the particle and the off-stage objects can be characterized by an
2718         interaction energy, $U$, which depends only on the particle's position, $x$.
2719         Using the kinetic energy theorem, we have $\der{}K=F\der{}x$. (It's not necessary
2720         to write $K_{cm}$, since a particle can't have any other kind of kinetic energy.)
2721         Conservation of energy tells us $\der{}K+\der{}U=0$, so the relationship between
2722         force and interaction energy is $\der{}U=-F\der{}x$, or
2723         \begin{equation*}
2724                 F = -\frac{\der{}U}{\der{}x} 
2725                         \qquad \text{[relationship between force and interaction energy]} \qquad .
2726         \end{equation*}
2727         
2728         \begin{eg}{Force exerted by a spring}\label{eg:springforce}
2729                 \egquestion
2730                 A mass is attached to the end of a spring, and the energy of the spring
2731                 is $U=(1/2) kx^2$, where $x$ is the position of the mass,
2732                 and $x=0$ is defined to be the equilibrium position. What is the force
2733                 the spring exerts on the mass? Interpret the sign of the result.
2735                 \eganswer
2736                 Differentiating, we find
2737                 \begin{align*}
2738                          F        &= -\frac{\der{} U}{\der{} x} \\
2739                                         &= - kx \qquad .
2740                 \end{align*}
2741                 If $x$ is positive, then the force is negative, i.e., it acts so as to bring the
2742                 mass back to equilibrium, and similarly for $x<0$ we have $F>0$.
2744                 Most books do the $F=- kx$ form before the $U=(1/2) kx^2$
2745                 form, and call it Hooke's law.\index{Hooke's law} Neither form is really more
2746                 fundamental than the other --- we can always get from one to the other by integrating
2747                 or differentiating.
2748         \end{eg}
2749         
2750         \begin{eg}{Newton's law of gravity}
2751                 \egquestion
2752                 Given the equation $U=- Gm_1 m_{2}/ r$ for the energy
2753                 of gravitational interactions, find the corresponding equation for the gravitational force
2754                 on mass $m_2$. Interpret the positive and negative signs.
2756                 \eganswer
2757                 We have to be a little careful here, because we've been taking $r$ to be
2758                 positive by definition, whereas the position, $x$, of mass $m_2$
2759                 could be positive or negative, depending on which side of
2760                 $m_1$ it's on.
2762                 For positive $x$, we have $r= x$, and differentiation gives
2763                 \begin{align*}
2764                          F        &= -\frac{\der{} U}{\der{} x} \\
2765                                         &= - Gm_1 m_{2}/ x^2 \qquad .
2766                 \end{align*}
2767                 As in the preceding example, we have $F<0$ when $x$
2768                 is positive, because the object is being attracted back toward $x=0$.
2770                 When $x$ is negative, the relationship between $r$ and $x$ becomes
2771                 $r=- x$, and the result for the force is the same as before, but with
2772                 a minus sign. We can combine the two equations by writing
2773                 \begin{equation*}
2774                         | F|        =  Gm_1 m_{2}/ r^2 \qquad ,
2775                 \end{equation*}
2776                 and this is the form traditionally known as Newton's law of gravity.
2777                 As in the preceding example, the $U$ and $F$ equations contain
2778                 equivalent information, and neither is more fundamental than the other.
2779         \end{eg}
2781         \begin{eg}{Equilibrium}
2782                 I previously described the condition for equilibrium as a local maximum
2783                 or minimum of $U$. A differentiable function has a zero derivative
2784                 at its extrema, and we can now relate this directly to force: zero force
2785                 acts on an object when it is at equilibrium.
2786         \end{eg}
2788 <% end_sec() %>
2789 <% end_sec() %>
2791 \vfill
2793 <% begin_sec("Resonance",4,'resonance') %>
2794 <% marg(0) %>
2796   fig(
2797     'swingimpulseatres',
2798     %q{%
2799       An $x$-versus-$t$  graph for a swing pushed at resonance.
2800     }
2801   )
2803 \spacebetweenfigs
2805   fig(
2806     'swingimpulsedblres',
2807     %q{A swing pushed at twice its resonant frequency.}
2808   )
2810 \spacebetweenfigs
2812   fig(
2813     'drivingimpulsive',
2814     %q{The $F$-versus-$t$ graph for an impulsive driving force.}
2815   )
2817 \spacebetweenfigs
2819   fig(
2820     'drivingsine',
2821     %q{A sinusoidal driving force.}
2822   )
2824 <% end_marg %>
2825         Resonance is a phenomenon in which an oscillator responds most strongly\label{swing-resonance}
2826         to a driving force that matches its own natural frequency of vibration.
2827         For example, suppose a child is on a playground swing with a natural
2828         frequency of 1 Hz. That is, if you pull the child away from equilibrium, release
2829         her, and then stop doing anything for a while, she'll oscillate at 1 Hz.
2830         If there was no friction, as we assumed in section \ref{sec:oscillations},
2831         then the sum of her gravitational and kinetic energy would remain constant,
2832         and the amplitude would be exactly the same from one oscillation to the next.
2833         However, friction is going to convert these forms of energy into heat, so her
2834         oscillations would gradually die out. To keep this from happening, you might
2835         give her a push once per cycle, i.e., the frequency of your pushes would be
2836         1 Hz, which is the same as the swing's natural frequency. As long as you stay
2837         in rhythm, the swing responds quite well. If you start the swing from rest,
2838         and then give pushes at 1 Hz, the swing's amplitude
2839         rapidly builds up, as in figure \figref{swingimpulseatres}, until after a while it reaches a steady state
2840         in which friction removes just as much energy as you put in over the course
2841         of one cycle.
2843 <% self_check('swing-energy',<<-'SELF_CHECK'
2844 In figure \figref{swingimpulseatres}, compare the amplitude of the cycle immediately following the
2845 first push to the amplitude after the second. Compare the energies as well.
2846   SELF_CHECK
2847   ) %>
2850         What will happen if you try pushing at 2 Hz? Your first push puts in
2851         some momentum, $p$, but your second push happens after only half a cycle,
2852         when the swing is coming right back at you, with momentum $-p$!
2853         The momentum transfer from the second push is exactly enough to stop
2854         the swing. The result is a very weak, and not
2855         very sinusoidal, motion, \figref{swingimpulsedblres}.
2857 \formatlikesubsubsection{Making the math easy}\\
2858         This is a simple and physically transparent example of resonance: the swing
2859         responds most strongly if you match its natural rhythm. However, it has some
2860         characteristics that are mathematically ugly and possibly unrealistic.
2861         The quick, hard pushes are known as \emph{impulse} forces, \figref{drivingimpulsive},
2862         and they lead to an $x$-$t$ graph that has nondifferentiable kinks. Impulsive
2863         forces like this are not only badly behaved mathematically, they are usually undesirable
2864         in practical terms. In a car engine, for example, the engineers
2865         work very hard to make the force on the pistons change smoothly, to avoid excessive
2866         vibration. Throughout the rest of this section, we'll assume a driving force
2867         that is sinusoidal, \figref{drivingsine}, i.e., one whose $F$-$t$ graph is either a sine
2868         function or a function that differs from a sine wave in phase, such as a cosine.
2869         The force is positive for half of each cycle and negative for the other half, i.e.,
2870         there is both pushing and pulling. Sinusoidal
2871         functions have many nice mathematical characteristics (we can differentiate and
2872         integrate them, and the sum of sinusoidal functions that have the same frequency
2873         is a sinusoidal function), and they are also used in many practical situations.
2874         For instance, my garage door zapper sends out a sinusoidal radio wave, and the
2875         receiver is tuned to resonance with it.
2876         
2877         A second mathematical issue that I glossed over in the swing example was how
2878         friction behaves. In section \ref{subsec:forcesbetweensolids}, about forces between
2879         solids, the empirical equation for kinetic friction was independent of velocity.
2880         Fluid friction, on the other hand, is velocity-dependent. For a child on a swing,
2881         fluid friction is the most important form of friction, and is approximately proportional
2882         to $v^2$. In still other situations, e.g., with a low-density gas or friction between solid
2883         surfaces that have been lubricated with a fluid such as oil, we may find that the frictional
2884         force has some other dependence on velocity, perhaps being proportional to $v$, or having
2885         some other complicated velocity dependence that can't even be expressed with a simple
2886         equation.
2887         It would be extremely complicated to have to treat all of these different possibilities
2888         in complete generality, so for the rest of this section, we'll assume friction proportional
2889         to velocity
2890         \begin{equation*}
2891                 F        = -bv        \qquad ,
2892         \end{equation*}
2893         simply because the resulting equations happen to be the easiest to solve.
2894         Even when the friction doesn't behave in exactly this way, many of our results
2895         may still be at least qualitatively correct.
2897 __incl(text/damped_oscillator_sn)
2898 <% begin_sec("The quality factor") %>
2900         It's usually impractical to measure $b$ directly and determine $c$ from the equation
2901         $c=b/2m$. For a child on a swing, measuring $b$ would require putting the child
2902         in a wind tunnel! It's usually much easier to characterize the amount of damping by
2903         observing the actual damped oscillations and seeing how many cycles it takes for
2904         the mechanical energy to decrease by a certain factor. The unitless
2905         \emph{quality factor}\index{quality factor}, $Q$, is defined as 
2906         $Q=\omega_\zu{o}/2c$, and in the limit of weak damping, where
2907         $\omega\approx\omega_\zu{o}$, this can be interpreted as
2908         the number of
2909         cycles required for the mechanical energy to fall off by a factor of $e^{2\pi}=535.49\ldots$
2910         Using this new quantity, we can rewrite the equation for the frequency of damped
2911         oscillations in the slightly more elegant form
2912         $\omega_f        = \omega_\zu{o}\sqrt{1-1/4Q^2}$.
2914         <% self_check('q-is-when-dead',<<-'SELF_CHECK'
2915         What if we wanted to make a simpler definition of $Q$, as the number of oscillations required for
2916         the vibrations to die out completely, rather than the number required for the energy to
2917         fall off by this obscure factor?
2918           SELF_CHECK
2919   ) %>
2921         \begin{eg}{A graph}
2922         The damped motion in figure \figref{damping-effect-on-frequency} has $Q\approx 4.5$,
2923         giving $\sqrt{1-1/4Q^2}\approx 0.99$, as claimed at the end of the preceding subsection.
2924         \end{eg}
2926         \begin{eg}{Exponential decay in a trumpet}
2927         \egquestion
2928          The vibrations of the air column inside a trumpet
2929         have a $Q$ of about 10. This means that even after the trumpet
2930         player stops blowing, the note will keep sounding for a
2931         short time. If the player suddenly stops blowing, how will
2932         the sound intensity 20 cycles later compare with the sound
2933         intensity while she was still blowing?
2934         
2935         \eganswer
2936          The trumpet's $Q$ is 10, so after 10 cycles the
2937         energy will have fallen off by a factor of 535. After
2938         another 10 cycles we lose another factor of 535, so the
2939         sound intensity is reduced by a factor of 
2940         $535\times535= 2.9\times10^5$.
2941         \end{eg}
2943         The decay of a musical sound is part of what gives it its
2944         character, and a good musical instrument should have the
2945         right $Q$, but the $Q$ that is considered desirable is different
2946         for different instruments. A guitar is meant to keep on
2947         sounding for a long time after a string has been plucked,
2948         and might have a $Q$ of 1000 or 10000. One of the reasons why
2949         a cheap synthesizer sounds so bad is that the sound suddenly
2950         cuts off after a key is released.
2952 <% end_sec() %>
2953 <% begin_sec("Driven motion") %>
2954 <% marg(60) %>
2955 \formatlikecaption{%
2956 \noindent{\textbf{Summary of Notation}}\\
2957 \begin{tabular}{lp{41mm}}
2958 $k$ & spring constant \\
2959 $m$ & mass of the oscillator\\
2960 $b$ & sets the amount of damping, $F=-bv$ \\
2961 $T$ & period \\
2962 $f$ & frequency, $1/T$ \\
2963 $\omega$ & (Greek letter omega), angular frequency, $2\pi f$, often referred to simply as ``frequency'' \\
2964 $\omega_\zu{o}$ & frequency the oscillator would have without damping, $\sqrt{k/m}$ \\
2965 $\omega_f$ & frequency of the free vibrations \\
2966 $c$ & sets the time scale for the exponential decay envelope $e^{-ct}$ of the free vibrations \\
2967 $F_m$ & strength of the driving force, which is assumed to vary sinusoidally with frequency $\omega$ \\
2968 $A$ & amplitude of the steady-state response \\
2969 $\delta$ & phase angle of the steady-state response \\
2970 \end{tabular}
2972 <% end_marg %>
2973         The driven case is extremely important in science, technology, and engineering.
2974         We have an external driving force $F=F_m \sin \omega t$, where the constant
2975         $F_m$ indicates the maximum strength of the force in either direction. The equation
2976         of motion is now
2977         \begin{multline}\label{eqn:resonancemotion}
2978                 ma+bv+kx = F_m \sin \omega t \\
2979                                 \qquad \text{[equation of motion for a driven oscillator]} \qquad .
2980         \end{multline}
2981         After the driving force has been applied for a while, we expect that the amplitude
2982         of the oscillations will approach some constant value. This motion is known as the
2983         \emph{steady state}\index{steady state}\index{oscillations!steady state}, and it's the most
2984         interesting thing to find out; as we'll see later, the most general type of motion is
2985         only a minor variation on the steady-state motion. For the steady-state motion,
2986         we're going to look for a solution of the form
2987         \begin{equation*}
2988                 x = A \sin (\omega{}t+\delta) \qquad .
2989         \end{equation*}
2990         In contrast to the undriven case, here it's not possible to sweep $A$ and $\delta$ 
2991         under the rug. The amplitude of the steady-state motion, $A$, is actually the
2992         most interesting thing to know about the steady-state motion, and it's not true that we
2993         still have a solution no matter how we fiddle with $A$; if we have a solution for
2994         a certain value of $A$, then multiplying $A$ by some constant would break the
2995         equality between the two sides of the equation of motion. It's also no longer true
2996         that we can get rid of $\delta$ simply be redefining when we start the clock; here
2997         $\delta$ represents a \emph{difference} in time between the start of one cycle of the driving
2998         force and the start of the corresponding cycle of the motion.
3000         The velocity and
3001         acceleration are $v=\omega{}A\cos(\omega  t+\delta)$ and
3002         $a=-\omega^2A\sin(\omega t+\delta)$, and if we plug these into the equation
3003         of motion, \eqref{eqn:resonancemotion}, and simplify a little, we find
3004         \begin{equation}\label{eqn:steadystate}
3005                 (k-m\omega^2)\sin (\omega t+\delta)
3006                          +\omega b \cos (\omega t+\delta) 
3007                         = \frac{F_m}{A} \sin \omega t \qquad .
3008         \end{equation}
3009         The sum of any two sinusoidal functions with the same frequency is also
3010         a sinusoidal, so the whole left side adds up to a sinusoidal. By fiddling with
3011         $A$ and $\delta$ we can make the amplitudes and phases of the two sides
3012         of the equation match up.
3013         <% begin_sec("Steady state, no damping") %>
3014         $A$ and $\delta$ are easy to find in the case where there is no damping at all.
3015         There are now no cosines in equation \eqref{eqn:steadystate} above, only sines,
3016         so if we wish we can set $\delta$ to zero, and we find
3017         $A=F_m/(k-m\omega^2)=F_m/m(\omega_\zu{o}^2-\omega^2)$.
3018         This, however, makes $A$ negative for $\omega>\omega_\zu{o}$. 
3019         The variable $\delta$ was designed to represent this kind of phase relationship,
3020         so we prefer to keep $A$ positive and set $\delta=\pi$ for $\omega>\omega_\zu{o}$.
3021         Our results are then
3022         \begin{align*}
3023                 A                &= \frac{F_m}{m\left|\omega^2-\omega_\zu{o}^2\right|} \\
3024         \intertext{and}
3025                 \delta        &= \left\{\begin{array}{ll} 0, & \omega<\omega_\zu{o}\\
3026                                                 \pi, & \omega>\omega_\zu{o}\end{array}\right. \qquad .
3027         \end{align*}
3028 <% marg(50) %>
3030   fig(
3031     'resonance-undamped',
3032     %q{%
3033       Dependence of the amplitude and phase angle
3034               on the driving frequency, for an undamped oscillator. The amplitudes
3035               were calculated with $F_m$, $m$, and $\omega_\zu{o}$,  all set to 1.
3036     }
3037   )
3039 <% end_marg %>
3041         The most important feature of the result is that there is a resonance: the
3042         amplitude becomes greater
3043         and greater, and approaches infinity,
3044         as $\omega$ approaches the resonant frequency $\omega_\zu{o}$.
3045         This is the physical behavior we anticipated on page \pageref{swing-resonance} in the
3046         example of pushing a child on a swing. If the driving frequency matches the frequency of
3047         the free vibrations, then the driving force will always be in the right direction to
3048         add energy to the swing. At a driving frequency very different from the resonant frequency,
3049         we might get lucky and push at the right time during one cycle, but our next push would
3050         come at some random point in the next cycle, possibly having the effect of slowing the swing
3051         down rather than speeding it up.
3053         The interpretation of the infinite amplitude at $\omega=\omega_\zu{o}$ is that there really isn't any steady
3054         state if we drive the system exactly at resonance --- the amplitude will just keep
3055         on increasing indefinitely. In real life, the amplitude can't be infinite both because there is always some damping and because
3056         there will always be some difference, however small, between
3057         $\omega$ and $\omega_\zu{o}$. Even though the infinity is unphysical, it has entered into
3058         the popular consciousness, starting with the eccentric Serbian-American inventor and physicist Nikola Tesla.\index{Tesla!Nikola}
3059         Around 1912, the tabloid newspaper \emph{The World Today} credulously reported a story which Tesla probably fabricated --- or wildly exaggerated ---
3060         for the sake of publicity. Supposedly he created a steam-powered device ``no larger than an alarm clock,'' containing a piston
3061         that could be made to vibrate at a tunable and precisely controlled frequency.
3062         ``He put his little vibrator in his coat-pocket and went out to hunt a half-erected steel building. Down in the Wall
3063         Street district, he found one --- ten stories of steel framework without a brick or a stone laid around it. He clamped
3064         the vibrator to one of the beams, and fussed with the adjustment [presumably hunting for the building's resonant frequency] until he got it.
3065         Tesla said finally the structure began to creak and weave and the steel-workers came to the ground panic-stricken, believing
3066         that there had been an earthquake. Police were called out. Tesla put the vibrator in his pocket and went away. Ten
3067         minutes more and he could have laid the building in the street. And, with the same vibrator he could have dropped the Brooklyn Bridge into
3068         the East River in less than an hour.''
3070         The phase angle  $\delta$ also exhibits surprising behavior. As the frequency is tuned upward past resonance,
3071         the phase abruptly shifts so that the phase of the response is opposite to that of the driving force.
3072         There is a simple interpretation for this.
3073         The system's mechanical energy can only
3074         change due to work done by the driving force, since there is no damping
3075         to convert mechanical energy to heat. In the steady state, then, the power
3076         transmitted by the driving force over a full cycle of motion must average out to zero.
3077         In general, the work theorem $\der{}E=F\der{}x$ can always be divided by $\der{}t$
3078         on both sides to give the useful relation $P=Fv$. If $Fv$ is to average out to zero,
3079         then $F$ and $v$ must be out of phase by $\pm\pi/2$, and since $v$ is ahead of
3080         $x$ by a phase angle of $\pi/2$, the phase angle between $x$ and $F$ must be
3081         zero or $\pi$.
3083         Given that  these are the two possible phases, why is there a difference in behavior between $\omega<\omega_\zu{o}$
3084         and $\omega>\omega_\zu{o}$? At the low-frequency limit, consider $\omega=0$, i.e., a constant force.
3085         A constant force will simply displace the oscillator to one side, reaching an equilibrium that is offset from
3086         the usual one. The force and the response are in phase, e.g., if the force is to the right, the equilibrium
3087         will be offset to the right. This is the situation depicted in the amplitude graph of figure \figref{resonance-undamped}
3088         at $\omega=0$. The response, which is not zero, is simply this static displacement of the oscillator to one side.
3090         At high frequencies, on the other hand, imagine shaking the poor child on the swing back and forth with a force
3091         that oscillates at 10 Hz. This is so fast that there is essentially no time for the force $F=-kx$ from gravity and
3092         the chain to act from one cycle to the next. The problem becomes equivalent to the oscillation of a \emph{free}
3093         object. If the driving force varies like $\sin(\omega t)$, with $\delta=0$, then the acceleration is also
3094         proportional to the sine. Integrating, we find that the velocity goes like minus a cosine, and a second
3095         integration gives a position that varies as minus the sine --- opposite in phase to the driving force.
3096         Intuitively, this mathematical result corresponds to the fact that at the moment when the object has reached
3097         its maximum displacement to the \emph{right}, that is the time when the greatest force is being applied to the
3098         \emph{left}, in order to turn it around and bring it back toward the center.
3100 \vfill
3102        \begin{eg}{A practice mute for a violin}\label{eg:violin-mute}
3103        The amplitude of the driven vibrations, $A=F_m/(m|\omega^2-\omega_\zu{o}^2|)$, contains
3104        an inverse proportionality to the mass of the vibrating object. This is simply because
3105        a given force will produce less acceleration when applied to a more massive object.
3106        An application is shown in figure \ref{eg:violin-mute}.  
3108        In a stringed instrument, the strings themselves don't have
3109        enough surface area to excite sound waves very efficiently.
3110        In instruments of the violin family, as the strings vibrate from left to right, they cause the
3111        bridge (the piece of wood they pass over)
3112        to wiggle clockwise and counterclockwise, and this motion is transmitted to the top panel
3113        of the instrument, which vibrates and creates sound waves in the air.
3115        A string player who wants to practice
3116        at night without bothering the neighbors can add some mass to the bridge.
3117        Adding mass to the bridge causes the
3118        amplitude of the vibrations to be smaller, and the sound to be much softer.
3119        A similar effect is seen when an electric guitar is used without an amp. The body
3120        of an electric guitar is so much more massive than the body of an acoustic guitar that
3121        the amplitude of its vibrations is very small.
3122        \end{eg}
3124   fig(
3125     'viola-mute',
3126     %q{%
3127       Example \ref{eg:violin-mute}: a viola without a mute (left), and
3128               with a mute (right). The mute doesn't touch the strings themselves.
3129     },
3130     {
3131       'width'=>'wide',
3132       'sidecaption'=>true
3133     }
3134   )
3136 <% end_sec() %>
3137 \pagebreak % For some reason, this doesn't work if I just do it as a ,4 in the following begin_sec -- page break appears after the title
3138 <% begin_sec("Steady state, with damping") %>
3139         The extension of the analysis to the damped case involves some lengthy
3140         algebra, which I've outlined on page \pageref{misc:steadystate} in
3141         appendix \ref{miscappendix}. The results are shown in figure 
3142         \figref{resonance}. It's not surprising that the steady state response is
3143         weaker when there is more damping, since the steady state is reached when
3144         the power extracted by damping matches the power input by the driving force.
3145         The maximum amplitude, at the peak of the resonance curve, is approximately proportional to $Q$.
3147   fig(
3148     'resonance',
3149     %q{%
3150       Dependence of the amplitude and phase angle
3151               on the driving frequency. The undamped case is $Q=\infty$, 
3152               and the other curves represent $Q$=1, 3, and 10. $F_m$, $m$, and $\omega_\zu{o}$ are all set to 1.
3153     },
3154     {'width'=>'wide','sidecaption'=>true}
3155   )
3158 <% self_check('a-propto-q',<<-'SELF_CHECK'
3159 From the final result of the analysis on page \pageref{misc:steadystate}, substitute $\omega=\omega_\zu{o}$,
3160 and satisfy yourself that the result is proportional to $Q$. Why is $A_{res}\propto Q$ only an approximation?
3161   SELF_CHECK
3162   ) %>
3163 <% marg(0) %>
3165   fig(
3166     'fwhm-omega',
3167     %q{%
3168       The definition of $\Delta\omega$,
3169                               the full width at half maximum.
3170     }
3171   )
3173 <% end_marg %>%
3175         What is surprising is that the amplitude is strongly affected by damping close
3176         to resonance, but only weakly affected far from it. In other words, the shape of
3177         the resonance curve is broader with more damping, and even if we were to scale up
3178         a high-damping curve so that its maximum was the same as that of a low-damping
3179         curve, it would still have a different shape. The standard way of describing the shape
3180         numerically is to give the quantity $\Delta\omega$, called the
3181          \emph{full width at half-maximum}\index{full width at half-maximum},
3182         or FWHM\index{FWHM}, which is defined in figure \figref{fwhm-omega}. Note that
3183         the $y$ axis is energy, which is proportional to the square of the amplitude.
3184         Our previous observations amount to a statement that $\Delta\omega$ is greater
3185         when the damping is stronger, i.e., when the $Q$ is lower. It's not hard to
3186         show from the equations on page  \pageref{misc:steadystate} that for
3187         large $Q$, the FWHM is given approximately by
3188         \begin{equation*}
3189                 \Delta\omega \approx \omega_\zu{o}/Q \qquad .
3190         \end{equation*}
3192         Another thing we notice in figure \figref{resonance} is that for small values of $Q$
3193         the frequency $\omega_{res}$ of the maximum $A$ is
3194         less than $\omega_\zu{o}$.\footnote{The relationship is $\omega_{max\ A}/\omega_\zu{o}=\sqrt{1-1/2Q^2}$,
3195         which is similar in form to the equation for the frequency of the free vibration, $\omega_{f}/\omega_\zu{o}=\sqrt{1-1/4Q^2}$. A subtle point here is that
3196         although the maximum of $A$ and the maximum of $A^2$ must occur at the same frequency, the maximum energy does not occur, as we might expect, at the same
3197         frequency as the maximum of $A^2$. This is because the interaction energy is proportional to $A^2$ regardless of frequency, but the kinetic energy is
3198         proportional to $A^2\omega^2$. The maximum energy actually occurs are precisely $\omega_\zu{o}$.}
3199         At even lower values of $Q$, like $Q=1$, the $A-\omega$ curve doesn't even have a maximum
3200         near $\omega>0$.
3202         \begin{eg}{An opera singer breaking a wineglass}
3203         In order to break a wineglass by singing, an opera singer
3204         must first tap the glass to find its natural frequency of
3205         vibration, and then sing the same note back, so that her driving force will produce
3206         a response with the greatest possible amplitude. If she's shopping for the right
3207         glass to use for this display of her prowess, she should look for one that
3208         has the greatest possible $Q$, since the resonance curve has a higher
3209         maximum for higher values of $Q$. 
3210         \end{eg}
3212 \pagebreak
3214         \begin{eg}{Collapse of the Nimitz Freeway}
3215         Figure \figref{nimitz} shows a section
3216         of the Nimitz Freeway in Oakland, CA, that collapsed during an
3217         earthquake in 1989.
3218         An earthquake consists of many low-frequency vibrations that
3219         occur simultaneously, which is why it sounds like a rumble
3220         of indeterminate pitch rather than a low hum. The
3221         frequencies that we can hear are not even the strongest
3222         ones; most of the energy is in the form of vibrations in the
3223         range of frequencies from about 1 Hz to 10 Hz.
3224 <% marg(0) %>
3226   fig(
3227     'nimitz',
3228     %q{The collapsed section of the Nimitz Freeway}
3229   )
3231 <% end_marg %>
3232         
3233         All the structures we build are resting on geological
3234         layers of dirt, mud, sand, or rock. When an earthquake wave
3235         comes along, the topmost layer acts like a system with a
3236         certain natural frequency of vibration, sort of like a cube
3237         of jello on a plate being shaken from side to side. The
3238         resonant frequency of the layer depends on how stiff it is
3239         and also on how deep it is. The ill-fated section of the
3240         Nimitz freeway was built on a layer of mud, and analysis by
3241         geologist Susan E. Hough of the U.S. Geological Survey shows
3242         that the mud layer's resonance was centered on about 2.5 Hz,
3243         and had a width covering a range from about 1 Hz to 4 Hz.
3244         
3245         When the earthquake wave came along with its mixture of
3246         frequencies, the mud responded strongly to those that were
3247         close to its own natural 2.5 Hz frequency. Unfortunately, an
3248         engineering analysis after the quake showed that the
3249         overpass itself had a resonant frequency of 2.5 Hz as well!
3250         The mud responded strongly to the earthquake waves with
3251         frequencies close to 2.5 Hz, and the bridge responded
3252         strongly to the 2.5 Hz vibrations of the mud, causing
3253         sections of it to collapse.
3254         \end{eg}
3255         
3256         <% end_sec() %>
3257 <% begin_sec("Physical reason for the relationship between Q and the FWHM") %>
3258         What is the reason for this surprising relationship between the damping and
3259         the width of the resonance? Fundamentally, it has to do with the fact that
3260         friction causes a system to lose its ``memory'' of its previous state. If the Pioneer
3261         10 space probe, coasting through the frictionless vacuum of interplanetary space,
3262         is detected by aliens a million years from now, they will be able to trace its
3263         trajectory backwards and infer that it came from our solar system. On the other hand,
3264         imagine that I shove a book along a tabletop, it comes to rest, and then someone
3265         else walks into the room. There will be no clue as to which direction the book was moving
3266         before it stopped --- friction has erased its memory of its motion.
3267         Now consider the playground swing driven at twice its natural frequency,
3268         figure \figref{swingimpulsedamp}, where
3269         the undamped case is repeated from figure \figref{swingimpulsedblres} on page
3270         \pageref{fig:swingimpulsedblres}. 
3271         In the undamped case, the first push starts the swing moving with momentum $p$,
3272         but when the
3273         second push comes,  if there
3274         is no friction at all, it now has a momentum of exactly $-p$, and the momentum transfer
3275         from the second push is exactly enough to stop it dead. With moderate damping, however,
3276         the momentum on the rebound is not quite $-p$, and the second push's effect isn't
3277         quite as disastrous. With very strong damping, the swing comes essentially to rest long before
3278         the second push. It has lost all its memory, and the second push puts energy into the
3279         system rather than taking it out. Although the detailed mathematical results with this
3280         kind of impulsive driving force are different,\footnote{For example, the graphs calculated
3281         for sinusoidal driving have resonances that are somewhat below the natural frequency, 
3282         getting lower with increasing damping, until for $Q\le1$ the maximum response occurs
3283         at $\omega=0$. In figure \figref{swingimpulsedamp}, however, we can see that impulsive
3284         driving at $\omega=2\omega_\zu{o}$ produces a steady state with more energy
3285         than at $\omega=\omega_\zu{o}$.}
3286         the general results are the same
3287         as for sinusoidal driving: the less damping there is, the greater the penalty you pay
3288         for driving the system off of resonance.
3289 <% marg(80) %>
3291   fig(
3292     'swingimpulsedamp',
3293     %q{%
3294       An $x$-versus-$t$ graph of the steady-state
3295                       motion of a swing being
3296                       pushed at twice its resonant frequency by an impulsive force.
3297     }
3298   )
3300 <% end_marg %>
3302         \begin{eg}{High-Q speakers}\label{eg:highqspeakers}
3303                 Most good audio speakers have $Q\approx1$, but
3304                 the resonance curve for a higher-$Q$ oscillator always lies above the
3305                 corresponding curve for one with a lower $Q$, so people who want their
3306                 car stereos to be able to rattle the windows of the neighboring cars
3307                 will often choose speakers that have a high $Q$. Of course they could
3308                 just use speakers with stronger driving magnets to increase $F_m$, but
3309                 the speakers might be more expensive, and a high-$Q$ speaker also
3310                 has less friction, so it wastes less energy as heat.
3312                 One problem with this is that whereas the resonance
3313                 curve of a low-$Q$ speaker (its ``response curve'' 
3314                 or ``frequency response'' in audiophile lingo) is
3315                 fairly flat, a higher-$Q$ speaker tends to emphasize the frequencies
3316                 that are close to its natural resonance. In audio, a flat response curve
3317                 gives more realistic reproduction of sound, so a higher quality factor, $Q$,
3318                 really corresponds to a \emph{lower\/}-quality speaker.
3320                 Another problem with high-$Q$ speakers is discussed in example
3321                 \ref{eg:boomyspeakers} on page \pageref{eg:boomyspeakers} .
3322         \end{eg}
3324         \begin{eg}{Changing the pitch of a wind instrument}
3325         \egquestion
3326          A saxophone player normally selects which note to
3327         play by choosing a certain fingering, which gives the
3328         saxophone a certain resonant frequency. The musician can
3329         also, however, change the pitch significantly by altering
3330         the tightness of her lips. This corresponds to driving the
3331         horn slightly off of resonance. If the pitch can be altered
3332         by about 5\% up or down (about one musical half-step) without
3333         too much effort, roughly what is the $Q$ of a saxophone?
3334         
3335         \eganswer
3336          Five percent is the width on one side of the
3337         resonance, so the full width is about 10\%, $\Delta f/f_\zu{o}\approx 0.1$.
3338         The equation $\Delta\omega=\omega_\zu{o}/ Q$ is defined in terms of
3339         angular frequency, $\omega=2\pi\ f$, and we've been given our
3340         data in terms of ordinary frequency, $f$. The factors of $2\pi$ end up canceling out,
3341         however:
3342         \begin{align*}
3343                  Q        &= \frac{\omega_\zu{o}}{\Delta\omega} \\
3344                                 & = \frac{2\pi f_\zu{o}}{2\pi\Delta f} \\
3345                                 & = \frac{f_\zu{o}}{f} \\
3346                                 & \approx 10
3347         \end{align*}
3348         In other words, once the musician stops
3349         blowing, the horn will continue sounding for about 10 cycles
3350         before its energy falls off by a factor of 535. (Blues and
3351         jazz saxophone players will typically choose a mouthpiece
3352         that gives a low $Q$, so that they can produce the bluesy
3353         pitch-slides typical of their style. ``Legit,'' i.e.,
3354         classically oriented players, use a higher-$Q$ setup because
3355         their style only calls for enough pitch variation to produce
3356         a vibrato, and the higher $Q$ makes it easier to play in tune.)
3357         \end{eg}                
3359         \begin{eg}{Q of a radio receiver}
3360         \egquestion
3361          A radio receiver used in the FM band needs to be
3362         tuned in to within about 0.1 MHz for signals at about 100
3363         MHz. What is its $Q$?
3364         
3365         \eganswer
3366         As in the last example, we're given data in terms of $f$s, not
3367         $\omega$s, but the factors of $2\pi$ cancel. The resulting
3368         $Q$ is about 1000, which is extremely high compared to the
3369         $Q$ values of most mechanical systems.
3370         \end{eg}
3372         <% end_sec() %>
3373 <% begin_sec("Transients") %>
3374         What about the motion before the steady state is achieved? When we computed
3375         the undriven motion numerically on page 
3376         \pageref{freedampednumerical}, the program had to initialize the position and
3377         velocity. By changing these two variables, we could have gotten any of an
3378         infinite number of simulations.\footnote{If you've learned about differential equations,
3379         you'll know that any second-order differential equation requires the specification
3380         of two boundary conditions in order to specify solution uniquely.}
3381         The same is true when we have an equation of motion with a driving term,
3382         $ma+bv+kx = F_m \sin \omega{}t$ (p. \pageref{eqn:resonancemotion}, equation
3383         \eqref{eqn:resonancemotion}). The steady-state solutions, however, have no
3384         adjustable parameters at all --- $A$ and $\delta$ are uniquely determined
3385         by the parameters of the driving force and the oscillator itself. If the oscillator
3386         isn't initially in the steady state, then it will not have the steady-state motion
3387         at first. What kind of motion will it have?
3389         The answer comes from realizing that if we start with the solution to the driven
3390         equation of motion, and then add to it any solution to the free equation of motion,
3391         the result,
3392         \begin{equation*}
3393                         x = A \sin (\omega t+\delta) + A' e^{-ct}\sin (\omega_f t+\delta') \qquad ,
3394         \end{equation*}
3395         is also a solution of the driven equation. Here, as before,
3396         $\omega_f$
3397         is the frequency of the free oscillations ($\omega_f\approx\omega_\zu{o}$
3398         for small $Q$), $\omega$ is the frequency of the driving force,
3399         $A$ and $\delta$ are related as usual to the parameters of the driving
3400         force, and $A'$ and $\delta'$ can have any values at all. Given the initial
3401         position and velocity, we can always choose $A'$ and $\delta'$ to reproduce
3402         them, but this is not something one often has to do in real life. What's more
3403         important is to realize that the second term dies out exponentially over time,
3404         decaying at the same rate at which a free vibration would. For this reason,
3405         the $A'$ term is called a transient. A high-$Q$ oscillator's transients take a
3406         long time to die out, while a low-$Q$ oscillator always settles down to its
3407         steady state very quickly.  
3409         \begin{eg}{Boomy bass}\label{eg:boomyspeakers}
3410                 In example \ref{eg:highqspeakers} on page \pageref{eg:highqspeakers},
3411                 I've already discussed one of the drawbacks of a high-$Q$ speaker,
3412                 which is an uneven response curve.
3413                 Another problem is that in a high-$Q$ speaker, transients take a long
3414                 time to die out. The bleeding-eardrums crowd tend to focus mostly
3415                 on making their bass loud, so it's usually their woofers that have
3416                 high $Q$s. The result is that bass notes, 
3417                 ``ring'' after the onset of the note, a phenomenon referred to as ``boomy bass.''
3418         \end{eg}
3420         <% end_sec() %>
3421 <% begin_sec("Overdamped motion") %>
3422         The treatment of free, damped motion on page \pageref{freedampedanalytic}
3423         skipped over a subtle point: in the equation
3424         $\omega_f = \sqrt{k/m-b^2/4m^2} = 
3425                 \omega_\zu{o}\sqrt{1-1/4Q^2}$, $Q<1/2$ results in an answer that
3426         is the square root of a negative number. For example, suppose we had
3427         $k=0$, which corresponds to a neutral equilibrium. A physical example
3428         would be a mass sitting in a tub of syrup. If we set it in motion,
3429         it won't oscillate --- it will simply slow to a stop. This system
3430         has $Q=0$. The equation of motion
3431         in this case is $ma+bv=0$, or, more suggestively,
3432         \begin{equation*}
3433                 m\frac{\der{}v}{\der{}t}+bv=0 \qquad .
3434         \end{equation*}
3435         One can easily verify that this has the solution
3436         $v=\text{(constant)}e^{-bt/m}$, and integrating, we find 
3437         $x=\text{(constant)}e^{-bt/m}+\text{(constant)}$. In other words,
3438         the reason $\omega_f$ comes out to be mathematical nonsense\footnote{Actually,
3439         if you know about complex numbers and Euler's theorem, it's not quite so
3440         nonsensical.} is that we were incorrect in assuming a solution that oscillated at a frequency
3441         $\omega_f$. The actual motion is not oscillatory at all.
3443         In general, systems with $Q<1/2$, called
3444         overdamped\index{oscillations!overdamped!mechanical}%
3445         \index{overdamped oscillations!mechanical}\index{damped oscillations!overdamped!mechanical}
3446          systems, do not
3447         display oscillatory motion. Most cars' shock absorbers are designed with
3448         $Q\approx1/2$, since it's undesirable for the car to undulate up and down for
3449         a while after you go over a bump. (Shocks with extremely low values of $Q$ are not good
3450         either, because such a system takes a very long time to come back to
3451         equilibrium.) It's not particularly important for our purposes, but for completeness
3452         I'll note, as you can easily verify, that the general solution to the equation of motion
3453         for $0<Q<1/2$ is of the form $x=Ae^{-ct}+Be^{-dt}$, while
3454         $Q=1/2$, called the critically damped\index{critically damped}\index{damping!critical}%
3455         \index{damped oscillations!critically damped} case, gives $x=(A+Bt)e^{-ct}$.\label{overdamped}
3457         
3458 <% end_sec() %>
3459 <% end_sec() %>
3460 <% end_sec %>
3461 <% begin_sec("Motion in Three Dimensions",4,'motion-in-three-d') %>
3462 <% begin_sec("The Cartesian perspective") %>
3463         When my friends and I were bored in high school, we used to play a paper-and-pencil
3464         game which, although we never knew it, was Very Educational --- in fact, it
3465         pretty much embodies the entire world-view of classical physics. To play the
3466         game, you draw a racetrack
3467         on graph paper, and try to get your car around the track before anyone else.
3468         The default is for your car to continue at constant speed in a straight
3469         line, so if it moved three squares to the right and one square up on your last turn, it will do the
3470         same this turn. You can also control the car's motion by changing its $\Delta x$
3471         and $\Delta y$ by up to one unit. If it moved three squares to the right last turn,
3472         you can have it move anywhere from two to four squares to the right this turn.
3474 <% marg(50) %>
3476   fig(
3477     'cargame',
3478     %q{%
3479       The car can
3480                       change its $x$ and $y$ motions by one
3481                       square every turn.
3482     }
3483   )
3485 <% end_marg %>
3488   fig(
3489     'descartesstamp',
3490     %q{%
3491       French mathematician Ren\'e Descartes invented analytic geometry;
3492                               Cartesian ($xyz$) coordinates
3493                               are named after him. He did work in philosophy, and was particularly
3494                               interested in the mind-body problem.
3495                               He was a skeptic and an antiaristotelian,
3496                               and, probably for fear of religious persecution,
3497                               spent his adult life in the Netherlands, where
3498                               he fathered a daughter with a Protestant peasant whom he could not marry.
3499                               He kept his daughter's existence secret from his enemies in France to avoid giving them
3500                               ammunition, but he was crushed when she died of
3501                               scarlatina at age 5.
3502                               A pious Catholic, he was
3503                               widely expected to be sainted. 
3504                               His body was buried in Sweden but then reburied several
3505                               times in France, and along the way everything but a few fingerbones was stolen
3506                               by peasants who
3507                               expected the body parts to become holy relics. 
3508     },
3509     {
3510       'width'=>'wide',
3511       'narrowfigwidecaption'=>true,
3512       'float'=>false
3513     }
3514   )
3517 \enlargethispage{-2\baselineskip}
3519         \index{Descartes, Ren\'e}
3520         The fundamental way of dealing with the direction of an object's motion in physics
3521         is to use conservation of momentum, since momentum depends on direction.
3522         Up until now, we've only done momentum in one dimension. How does this
3523         relate to the racetrack game? In the game, the motion of a car from one turn to the
3524         next is represented by its $\Delta x$ and $\Delta y$. In one dimension, we would only need
3525         $\Delta x$, which could be related to the velocity, $\Delta x/\Delta t$, and the momentum,
3526         $m\Delta x/\Delta t$. In two dimensions, the rules of the game amount to a statement
3527         that if there is no momentum transfer, then both $m\Delta x/\Delta t$
3528         and $m\Delta y/\Delta t$ stay the same. In other words, there are two flavors of
3529         momentum, and they are \emph{separately} conserved. 
3530         All of this so far has been done with an artificial division of time into ``turns,'' but
3531         we can fix that by redefining everything in terms of derivatives, and for motion in
3532         three dimensions rather than two, we augment $x$ and $y$ with $z$:
3533         \begin{align*}
3534                 v_x &= \der x/\der t        & v_y &= \der y/\der t        & v_z &= \der z/\der t \\
3535         \intertext{and} 
3536                 p_x &= mv_x        &        p_y &= mv_y        &p_z &= mv_z        
3537         \end{align*}
3538         We call these the $x$, $y$, and $z$ components\index{component}
3539         of the velocity and the momentum.
3541         
3542         There is both experimental and theoretical evidence that the  $x$, $y$, and $z$
3543         momentum components are separately conserved, and that a momentum transfer
3544         (force) along one axis has no effect on the momentum components along the other
3545         two axes. On page \pageref{subsec:predictingdirection}, for example, I argued that
3546         it was impossible for an air hockey puck to make a 180-degree turn spontaneously,
3547         because then in the frame moving along with the puck, it would have begun moving
3548         after starting from rest. Now that we're working in two dimensions, we might wonder
3549         whether the puck could spontaneously make a 90-degree turn, but exactly the same
3550         line of reasoning shows that this would be impossible as well, which proves that
3551         the puck can't trade $x$-momentum for $y$-momentum. A more general proof
3552         of separate conservation will be given on page \pageref{separatepconsproof},
3553         after some of the appropriate 
3554         mathematical techniques have been introduced.
3556   fig(
3557     'bullets',
3558     %q{Bullets are dropped and shot at the same time.},
3559     {
3560       'width'=>'wide',
3561       'floatpos'=>'t'
3562     }
3563   )
3566         As an example of the experimental evidence for separate conservation of the momentum
3567         components, figure \figref{bullets} shows correct and incorrect predictions of what happens
3568         if you shoot a rifle and arrange for a second
3569         bullet to be dropped from the same height at exactly the same
3570         moment when the first one left the barrel. 
3571         Nearly everyone expects that the dropped
3572         bullet will reach the dirt first, and Aristotle would have
3573         agreed, since he believed that the bullet had to lose its horizontal motion before
3574         it could start moving vertically. In reality, we find that the vertical momentum transfer
3575         between the earth and the bullet is completely unrelated to the horizontal momentum.
3576         The bullet ends up with $p_y<0$, while the planet picks up an upward momentum
3577         $p_y>0$, and the total momentum in the $y$ direction remains zero. 
3578         Both bullets hit the ground at the same time. This is much simpler
3579         than the Aristotelian version!\index{Aristotle}
3581         \begin{eg}{The Pelton waterwheel}
3582         \egquestion
3583         There is a general class of machines that either 
3584         do work on  a gas or
3585         liquid, like a boat's propeller, or have work done
3586         on them by a gas or liquid, like the turbine in a hydroelectric
3587         power plant. Figure \figref{peltonwheel} shows two types of
3588         surfaces that could be attached to the circumference of an
3589         old-fashioned waterwheel. Compare the force exerted by the water
3590         in the two cases.
3591         
3592         \eganswer
3593         Let the $x$ axis point to the right, and the $y$ axis up.
3594         In both cases, the stream of water rushes down onto the surface
3595         with momentum $p_{y,i}=- p_\zu{o}$,
3596         where the subscript $i$ stands for ``initial,'' i.e., before the
3597         collision.
3599         In the case of surface 1, the streams of water leaving the
3600         surface have no momentum in the $y$ direction, and their
3601         momenta in the $x$ direction cancel. The final momentum
3602         of the water is zero along both axes, so its entire momentum,
3603         $- p_\zu{o}$, has been transferred to the waterwheel.
3605         When the water leaves surface 2, however, its momentum
3606         isn't zero. If we assume there is no friction,
3607         it's $p_{y,f}= +p_\zu{o}$, with the positive
3608         sign indicating upward momentum. The change in the
3609         water's momentum is $p_{y,f}- p_{y,i}=2 p_\zu{o}$,
3610         and the momentum transferred to the waterwheel is $-2 p_\zu{o}$.
3612         Force is defined as the rate of transfer of momentum, so
3613         surface 2 experiences double the force. A waterwheel constructed
3614         in this way is known as a Pelton waterwheel.\index{Pelton waterwheel}
3615         \end{eg}
3617 <% marg(110) %>
3619   fig(
3620     'peltonwheel',
3621     %q{%
3622       Two surfaces that could be used
3623               to extract energy from a stream of water.
3624     }
3625   )
3627 \spacebetweenfigs
3629   fig(
3630     'yarkovsky',
3631     %q{%
3632       An asteroid absorbs visible light from the sun, and gets rid
3633               of the energy by radiating infrared light.
3634     }
3635   )
3637 <% end_marg %>
3639         
3640         \begin{eg}{The Yarkovsky effect}\label{eg:yarkovsky}\index{Yarkovsky effect}\index{asteroid}
3641         We think of the planets and asteroids as inhabiting their orbits permanently, but
3642         it is possible for an orbit to change over periods of millions or billions of years,
3643         due to a variety of effects. For asteroids with diameters
3644         of a few meters or less, an important mechanism is the Yarkovsky effect,
3645         which is easiest to understand if we consider an asteroid
3646         spinning about an axis that is exactly perpendicular to its orbital plane.  
3648         The illuminated side of the asteroid is relatively hot, and radiates more infrared
3649         light than the dark (night) side. Light has momentum, and a total force away from
3650         the sun is produced by combined effect
3651         of the sunlight hitting the asteroid and the imbalance between the momentum
3652         radiated away on the two sides. This force, however, doesn't cause the asteroid's
3653         orbit to change over time, since it simply cancels a tiny fraction of the sun's gravitational
3654         attraction. The result is merely a tiny, undetectable violation of Kepler's law of
3655         periods.
3657         Consider the sideways momentum transfers, however. In figure
3658         \figref{yarkovsky}, the part of the asteroid on the right has been illuminated
3659         for half a spin-period (half a ``day'') by the sun, and is hot. It radiates
3660         more light than the morning side on the left. This imbalance produces a total
3661         force in the $x$ direction which points to the left. If the asteroid's orbital
3662         motion is to the left, then this is a force in the same direction as the motion,
3663         which will do positive work, increasing the asteroid's energy and boosting it
3664         into an orbit with a greater radius. On the other hand, if the asteroid's spin and
3665         orbital motion are in opposite directions, the Yarkovsky push brings the asteroid
3666         spiraling in closer to the sun.
3668         Calculations show that it takes on the order of $10^7$ to $10^8$ years
3669         for the Yarkovsky effect to move an asteroid out of the asteroid belt and into the
3670         vicinity of earth's orbit, and this is about the same as the typical age of a meteorite
3671         as estimated by its exposure to cosmic rays. The Yarkovsky effect doesn't remove
3672         all the asteroids from the asteroid belt, because many of them have orbits that are
3673         stabilized by gravitational interactions with Jupiter. However, when collisions occur,
3674         the fragments can end up in orbits which are not stabilized in this way, and they
3675         may then end up reaching the earth due to the Yarkovsky effect. The cosmic-ray
3676         technique is really telling us how long it has been since the fragment was broken
3677         out of its parent.
3678         
3679         \end{eg}
3681 \startdqs
3683 \begin{dq}\label{dq:target-shooting}
3684 The following is an incorrect explanation of a fact
3685 about target shooting:
3687 ``Shooting a high-powered rifle with a high muzzle velocity
3688 is different from shooting a less powerful gun. With a less
3689 powerful gun, you have to aim quite a bit above your target,
3690 but with a more powerful one you don't have to aim so high
3691 because the bullet doesn't drop as fast.''
3693 What is the correct explanation?
3694 \end{dq}
3697   fig(
3698     'dq-target-shooting',
3699     %q{Discussion question \ref{dq:target-shooting}.},
3700     {
3701       'width'=>'wide'
3702     }
3703   )
3706 \begin{dq}
3707 You have thrown a rock, and it is flying through the air
3708 in an arc.  If the earth's gravitational force on it is
3709 always straight down, why doesn't it just go straight down
3710 once it leaves your hand?
3711 \end{dq}
3713 \begin{dq}
3714 Consider the example of the bullet that is dropped at the
3715 same moment another bullet is fired from a gun. What would
3716 the motion of the two bullets look like to a jet pilot
3717 flying alongside in the same direction as the shot bullet
3718 and at the same horizontal speed?
3719 \end{dq}
3721 <% end_sec() %>
3722 <% begin_sec("Rotational invariance",nil,'rotationalinvariance') %>
3723         \index{rotational invariance}\index{invariance!rotational}
3724         The Cartesian approach requires that we choose $x$, $y$, and $z$ axes.
3725         How do we choose them correctly? The answer is that it had better not matter
3726         which directions the axes point (provided they're perpendicular to each other),
3727         or where we put the origin, because  if it did matter,
3728         it would mean that space was asymmetric. If there was a certain point in the universe
3729         that was the right place to put the origin, where would it be? The top of
3730         Mount Olympus? The United Nations headquarters? We find that
3731         experiments come out the same no matter where we do them, and regardless of
3732         which way the laboratory is oriented, which indicates that no location in space or
3733         direction in space is special in any way.\footnote{Of course, 
3734         you could tell in a sealed laboratory
3735         which way was down, but that's because there happens to be a big planet  nearby,
3736         and the planet's gravitational field reaches into the lab, not because space itself
3737         has a special down direction. Similarly, if your experiment was sensitive to
3738         magnetic fields, it might matter which way the building was oriented, but that's
3739         because the earth makes a magnetic field, not because space itself comes
3740         equipped with a north direction.}
3742         This is closely related to the idea of Galilean
3743         relativity stated on page \pageref{sec:galileanrelativity}, from which we already
3744         know that the absolute \emph{motion} of a frame of reference is irrelevant and undetectable.
3745         Observers using frames of reference that are in motion relative to each other will
3746         not even agree on the permanent identity of a particular point in space, so it's not
3747         possible for the laws of physics to depend on where you are in space. For instance,
3748         if gravitational energies were proportional to $m_1m_2$ in one location but to
3749         $(m_1m_2)^{1.00001}$ in another, then it would be possible to determine when you
3750         were in a state of absolute motion, because the behavior of gravitational interactions
3751         would change as you moved from one region to the other.
3753         \index{Galileo!Galilean relativity}\index{relativity!Galilean}
3754         Because of this close relationship, we restate the principle of Galilean
3755         relativity in a more general form.
3756          This extended principle of Galilean relativity states that the laws of physics
3757         are no different in one
3758         time and place than in another, and that they also don't depend on your
3759         orientation or your motion, provided that your motion is in a straight line and at
3760         constant speed.
3762         The irrelevance of time and place could have been stated in chapter \ref{ch:1}, but since this
3763         section is the first one in which we're dealing with three-dimensional physics
3764         in full generality, the irrelevance of orientation is what we really care about right
3765         now. This property of the laws of physics is called rotational invariance. The word
3766         ``invariance'' means a lack of change, i.e., the laws of physics don't change when
3767         we reorient our frame of reference.
3769         \begin{eg}{Rotational invariance of gravitational interactions}
3770         Gravitational energies depend on the quantity 1/$r$, which by the
3771         Py\-thag\-or\-e\-an theorem equals
3772         \begin{equation*}
3773                  \frac{1}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2+\Delta z^2}}
3774                         \qquad .
3775         \end{equation*}
3776         Rotating a line segment doesn't change its length, so this expression
3777         comes out the same regardless of which way we orient our coordinate axes.
3778         Even though $\Delta x$, $\Delta y$, and $\Delta z$ are different
3779         in differently oriented coordinate systems, $r$ is the same.
3780         \end{eg}
3782 <% marg(0) %>
3784   fig(
3785     'rolldowncone',
3786     %q{Two balls roll down a cone and onto a plane.}
3787   )
3789 <% end_marg %>
3790         \begin{eg}{Kinetic energy}\label{eg:ke3d}
3791                 Kinetic energy equals $\zu{(1/2)} mv^2$, but what does that mean
3792                 in three dimensions, where we have $v_x$, $v_y$, and
3793                 $v_z$? If you were tempted to add the components and calculate
3794                 $K=(1/2) m( v_x+ v_y+ v_z)^2$,
3795                 figure \figref{rolldowncone} should convince you otherwise. Using that
3796                 method, we'd have to assign a kinetic energy of zero to ball number 1,
3797                 since its negative $v_y$ would exactly cancel its positive $v_x$,
3798                 whereas ball number 2's kinetic energy wouldn't be zero. This would violate
3799                 rotational invariance, since the balls would behave differently.
3801                 The only possible way to generalize kinetic energy to three dimensions,
3802                 without violating rotational invariance, is to  use an expression that
3803                 resembles the Pythagorean theorem,
3804                 \begin{equation*}
3805                          v=\sqrt{ v_{x}^2+ v_{y}^2+ v_z^2} \qquad ,
3806                 \end{equation*}
3807                 which results in
3808                 \begin{equation*}
3809                          K=\frac{1}{2} m
3810                         \left( v_{x}^2+ v_{y}^2+ v_z^2\right)
3811                         \qquad .
3812                 \end{equation*}
3813                 Since the velocity components are squared, the positive and negative signs
3814                 don't matter, and the two balls in the example behave the same way.
3815         \end{eg}
3817 <% end_sec() %>
3818 <% begin_sec("Vectors",4) %>
3819         Remember the title of this book?
3820         It would have been possible to obtain the result of example \ref{eg:ke3d}
3821         by applying the Pythagorean theorem to
3822         $\der x$, $\der y$, and $\der z$, and then dividing by $\der t$,
3823         but the rotational invariance approach is \emph{simpler}, and is 
3824         useful in a much broader context. Even with a quantity you presently
3825         know nothing about, say the magnetic field, you can infer that if the
3826         components of the magnetic field are $B_x$, $B_y$, and $B_z$, then the 
3827         physically useful way to talk about the strength of the magnetic field is
3828         to define it as $\sqrt{B_x^2+B_y^2+B_z^2}$. Nature knows your
3829         brain cells are precious, and doesn't want you to have to waste them
3830         by memorizing mathematical rules that are different for magnetic fields
3831         than for velocities.
3833         When mathematicians see that the same set of techniques is useful in
3834         many different contexts, that's when they start making definitions that
3835         allow them to stop reinventing the wheel. The ancient Greeks, for example,
3836         had no general concept of fractions. They couldn't say that a circle's
3837         radius divided by its diameter was equal to the number 1/2. They had to
3838         say that the radius and the diameter were in the ratio of one to two. With this
3839         limited number concept, they couldn't have said that water was dripping out
3840         of a tank at a rate of 3/4 of a barrel per day; instead, they would have had to say
3841         that over four days, three barrels worth of water would be lost. Once enough of
3842         these situations came up, some clever mathematician finally realized that
3843         it would make sense to define something called a fraction, and that one could
3844         think of these fraction thingies as numbers that lay in the gaps between the traditionally
3845         recognized numbers like zero, one, and two. Later generations of mathematicians
3846         introduced further subversive generalizations of the number concepts, inventing
3847         mathematical creatures like negative numbers, and the square root of two, which
3848         can't be expressed as a fraction.
3850         In this spirit, we define a \emph{vector}\index{vector!defined} as any quantity that has
3851         both an amount and a direction in space. In contradistinction, a
3852         \emph{scalar}\index{scalar!defined} has an amount, but no direction. Time and
3853         temperature are scalars. Velocity, acceleration, momentum, and force are vectors.
3854         In one dimension,
3855         there are only two possible directions, and we can use positive and negative numbers
3856         to indicate the two directions. In more than one dimension, there are infinitely many
3857         possible directions, so we can't use the two symbols $+$ and $-$ to
3858         indicate the direction of a vector. Instead, we can specify the three components
3859         of the vector, each of which can be either negative or positive.
3860         We represent vector quantities in handwriting by writing an
3861          arrow above them, so for example the
3862         momentum vector looks like this, $\vec{p}$,
3863         but the arrow looks ugly in print, so in books vectors are usually
3864          shown in bold-face type: \vc{p}.
3865         A straightforward way of thinking about vectors is that a vector equation really
3866         represents three different equations. For instance, conservation of momentum
3867         could be written in terms of the three components,
3868         \begin{align*}
3869                 \Delta p_x        &= 0 \\
3870                 \Delta p_y        &= 0 \\
3871                 \Delta p_z        &= 0 \qquad ,
3872         \end{align*}
3873         or as a single vector equation,\footnote{The zero here is really a zero
3874         \emph{vector}, i.e., a vector whose components are all zero, so we should
3875         really represent it with a boldface \vc{0}. There's usually not much danger of
3876         confusion, however, so most books, including this one, don't use boldface for the
3877         zero vector.}
3878         \begin{equation*}
3879                 \Delta \mathbf{p} = 0 \qquad .
3880         \end{equation*}
3881         The following table summarizes some vector operations.
3883         \begin{tabular}{|l|p{65mm}|}
3884         \hline
3885         \textsl{operation}        & \textsl{definition} \\
3886         \hline
3887         $|\mathbf{vector}|$        & $\sqrt{vector_x^2+vector_y^2+vector_z^2}$ \\
3888         $\mathbf{vector}+\mathbf{vector}$        & Add component by component. \\
3889         $\mathbf{vector}-\mathbf{vector}$        & Subtract component by component. \\
3890         $\mathbf{vector}\ \cdot\ scalar        $        & Multiply each component by the scalar. \\
3891         $\mathbf{vector}\ /\ scalar        $        & Divide each component by the scalar. \\
3892         \hline
3893         \end{tabular}
3895         \noindent{}The first of these is called the \emph{magnitude} of the vector; in one dimension,
3896         where a vector only has one component, it amounts to taking the absolute value,
3897         hence the similar notation.
3898         \index{vector!magnitude of}\index{vector!addition}\index{vector!subtraction}
3899         \index{vector!multiplication by a scalar}\index{vector!division by a scalar}
3901         <% self_check('translatefvector',<<-'SELF_CHECK'
3902 Translate the equations $F_{x}\zu{=} ma_x$, 
3903         $F_{y}\zu{=} ma_y$, and $F_{z}\zu{=} ma_z$
3904          into a single equation in vector notation.
3905   SELF_CHECK
3906   ) %>
3908 <% marg(0) %>
3910   fig(
3911     'kaboom',
3912     %q{Example \ref{eg:kaboom}.}
3913   )
3915 <% end_marg %>
3916         \begin{eg}{An explosion}\label{eg:kaboom}
3917         \egquestion 
3918         Astronomers observe the planet Mars as the
3919         Martians fight a nuclear war. The Martian bombs are so
3920         powerful that they rip the planet into three separate pieces
3921         of liquefied rock, all having the same mass. If one fragment
3922         flies off with velocity components $v_{1 x}=0$,
3923         $v_{1 y}\zu{=1.0x10}^4$ km/hr,
3924         and the second with $v_{2 x}\zu{=1.0x10}^4$ km/hr, 
3925         $v_{2 y}=0$, what is the
3926         magnitude of the third one's velocity?
3927         
3928         \eganswer 
3929         We work the problem in the center of mass frame,
3930         in which the planet initially had zero momentum. After the
3931         explosion, the vector sum of the momenta must still be zero.
3932         Vector addition can be done by adding components, so
3933         \begin{align*}
3934                  mv_{1 x} +  mv_{2 x} +  mv_{3 x}  &=  0   \\
3935         \intertext{and}
3936                  mv_{1 y} +  mv_{2 y} +  mv_{3 y} &=  0   \qquad ,
3937         \end{align*}
3938         where we have used the same symbol $m$ for all the terms,
3939         because the fragments all have the same mass. The masses can
3940         be eliminated by dividing each equation by $m$, and we find
3941         \begin{align*}
3942                  v_{3 x}  &=  -\zu{1.0x10}^4\ \zu{km/hr} \\
3943                  v_{3 y}  &=  -\zu{1.0x10}^4\ \zu{km/hr} \qquad ,
3944         \end{align*}
3945         which gives a magnitude of
3946         \begin{align*}
3947                 |\vc{v}_3|        &= \sqrt{ v_{3 x}^2+ v_{3 y}^2} \\
3948                 &=  \zu{1.4x10}^4\ \zu{km/hr} \qquad .
3949         \end{align*}
3950         \end{eg}
3952 <% marg(30) %>
3954   fig(
3955     'toppling-box',
3956     %q{Example \ref{eg:toppling-box}.}
3957   )
3959 \spacebetweenfigs
3961   fig(
3962     'flashlight',
3963     %q{The geometric interpretation of a vector's components.}
3964   )
3966 <% end_marg %>
3967 \begin{eg}{A toppling box}\label{eg:toppling-box}
3968 If you place a box on a frictionless surface, it will fall
3969 over with a very complicated motion that is hard to predict
3970 in detail. We know, however, that its center of mass's motion is
3971 related to its momentum, and the rate at which momentum is transferred
3972 is the force. Moreover, we know that these relationships apply separately
3973 to each component. Let $x$ and $y$ be horizontal, and $z$ vertical. There
3974 are two forces on the box, an upward force from the table and a downward gravitational force.
3975 Since both of these are along the $z$ axis, $p_z$ is the only component of the
3976 box's momentum that can change. We conclude that the center
3977 of mass travels vertically. This is true even if the box
3978 bounces and tumbles. [Based on an example by Kleppner and Kolenkow.]
3979 \end{eg}
3981         <% begin_sec("Geometric representation of vectors") %>
3982         A vector in two dimensions can be easily visualized by
3983         drawing an arrow whose length represents its magnitude and
3984         whose direction represents its direction. The $x$ component of
3985         a vector can then be visualized, \figref{flashlight}, as the length of the shadow
3986         it would cast in a beam of light projected onto the $x$ axis,
3987         and similarly for the $y$ component. Shadows with arrowheads
3988         pointing back against the direction of the positive axis
3989         correspond to negative components.
3990         
3991         In this type of diagram, the negative of a vector is the
3992         vector with the same magnitude but in the opposite
3993         direction. Multiplying a vector by a scalar is represented
3994         by lengthening the arrow by that factor, and similarly for
3995         division.
3997         <% self_check('graphicalscalarmult',<<-'SELF_CHECK'
3998 Given vector \vc{Q} represented by an arrow
3999         below, draw arrows representing the vectors 1.5\vc{Q} and $-\vc{Q}$.\\
4000         \begin{center}\anonymousinlinefig{graphicalscalarmult}\end{center}
4001   SELF_CHECK
4002   ) %>
4004         \begin{eg}[4]{A useless vector operation}
4005         The way I've defined the various vector operations above aren't as arbitrary as they seem.  
4006         There are many different
4007         vector operations that we could define, but only some of the possible definitions
4008         are mathematically useful. Consider the operation of
4009         multiplying two vectors component by component to produce a
4010         third vector:
4011         \begin{align*}
4012                  R_{x} & =   P_{x}  Q_x        \\
4013                  R_{y} & =   P_{y}  Q_y        \\
4014                  R_{z} & =   P_{z}  Q_z
4015         \end{align*}
4016 <% marg(100) %>
4018   fig(
4019     'useless',
4020     %q{%
4021       Two vectors, 1, to which we apply the same operation
4022                       in two different frames of reference, 2 and 3.
4023     }
4024   )
4026 <% end_marg %>
4028         As a simple example, we choose vectors \vc{P} and \vc{Q} to have
4029         length 1, and make them perpendicular to each other, as
4030         shown in figure \figref{useless}/1. If we compute the result of our new
4031         vector operation using the coordinate system shown in \figref{useless}/2,
4032         we find:
4033         \begin{align*}
4034                  R_{x}  &=  0 \\
4035                  R_{y}  &=  0 \\
4036                  R_z  &=  0 
4037         \end{align*}
4038         The $x$ component is zero because $P_x =0$, the $y$ component is
4039         zero because $Q_y=0$, and the $z$ component is of course zero
4040         because both vectors are in the $x$-$y$ plane. However, if we
4041         carry out the same operations in coordinate system \figref{useless}/3,
4042         rotated 45 degrees with respect to the previous one, we find
4043         \begin{align*}
4044                  R_{x}  &=  -\zu{1/2} \\
4045                  R_{y}  &=  \zu{1/2} \\
4046                  R_z  &=  0 
4047         \end{align*}
4048         The operation's result depends on what coordinate system we
4049         use, and since the two versions of \vc{R} have different lengths
4050         (one being zero and the other nonzero), they don't just
4051         represent the same answer expressed in two different
4052         coordinate systems. Such an operation will never be useful
4053         in physics, because experiments show physics works the same
4054         regardless of which way we orient the laboratory building!
4055         The useful vector operations, such as addition and scalar
4056         multiplication, are rotationally invariant, i.e., come out
4057         the same regardless of the orientation of the coordinate
4058         system.
4059         \end{eg}
4061         All the vector techniques can be applied to any kind of vector, but
4062         the graphical representation of vectors as arrows is particularly
4063         natural for vectors that represent lengths and distances.
4064         We define a vector called $\vc{r}$ whose components are the
4065         coordinates of a particular point in space, $x$, $y$, and $z$.
4066         The $\Delta\vc{r}$ vector,
4067         whose components are $\Delta x$, $\Delta y$,
4068         and $\Delta z$, can then be used to represent motion that starts
4069         at one point and ends at another. Adding two $\Delta \vc{r}$ vectors
4070         is interpreted as a trip with two legs: by computing the $\Delta \vc{r}$
4071         vector going from point A to point B plus the vector from B to C,
4072         we find the vector that would have taken us directly from A to C.
4074         <% end_sec() %>
4075 <% begin_sec("Calculations with magnitude and direction") %>
4076         If you ask someone where Las Vegas is compared to Los
4077         Angeles, she is unlikely to say that the $\Delta x$ is 290 km and
4078         the $\Delta y$ is 230 km, in a coordinate system where the positive
4079         $x$ axis is east and the $y$ axis points north. She will
4080         probably say instead that it's 370 km to the northeast. If
4081         she was being precise, she might specify the direction as
4082         $38\degunit$ counterclockwise from east. In two dimensions, we can
4083         always specify a vector's direction like this, using a
4084         single angle. A magnitude plus an angle suffice to specify
4085         everything about the vector. The following two examples show
4086         how we use trigonometry and the Pythagorean theorem to go
4087         back and forth between the $x$-$y$ and magnitude-angle
4088         descriptions of vectors.
4090 <% marg(0) %>
4092   fig(
4093     'eg-la-vegas',
4094     %q{Example \ref{eg:comptopolar}.}
4095   )
4097 <% end_marg %>
4098         \begin{eg}{Finding magnitude and angle from components}\label{eg:comptopolar}
4099         \egquestion
4100          Given that the $\Delta\vc{r}$ vector from LA to Las Vegas has $\Delta x$=290 km 
4101         and $\Delta y$=230 km,
4102         how would we find the magnitude and direction of $\Delta\vc{r}$?
4103         
4104         \eganswer
4105          We find the magnitude of $\Delta\vc{r}$ from the Pythagorean theorem:
4106         \begin{align*}
4107                 |\Delta\vc{r}|        &= \sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2} \\
4108                         &= 370\ \zu{km}
4109         \end{align*}
4110         We know all three sides of the triangle, so the angle $\theta$ can be found using 
4111         any of the inverse trig functions. For example, we know the opposite and adjacent sides, so
4112         \begin{align*}
4113                 \theta         &= \zu{tan}^{-1} \frac{\Delta y}{\Delta x}\\
4114                         &= 38\degunit   \qquad .
4115         \end{align*}
4116         
4117         
4118         \end{eg}
4119         \begin{eg}{Finding the components from the magnitude and angle}\label{eg:la-vegas-components}
4120         \egquestion
4121          Given that the straight-line distance from Los Angeles to Las Vegas is 370 \zu{km}, and
4122          that the angle $\theta$ in the figure is 38\degunit, how can the $x$ and $y$ components
4123          of the $\Delta\vc{r}$ vector be found?
4124         
4125         \eganswer
4126          The sine and cosine of $\theta$ relate the given information to the information we wish to find:
4127         \begin{align*}
4128                 \zu{cos}\ \theta        &= \frac{\Delta x}{|\Delta\vc{r}|}\\
4129                 \zu{sin}\ \theta        &= \frac{\Delta y}{|\Delta\vc{r}|}
4130         \end{align*}
4131         Solving for the unknowns gives
4132         \begin{align*}
4133                 \Delta x        &= |\Delta\vc{r}|\:\zu{cos}\ \theta\\
4134                         &= 290\ \zu{km}\\
4135                 \Delta y        &= |\Delta\vc{r}|\:\zu{sin}\ \theta\\
4136                         &= 230\ \zu{km}
4137         \end{align*}
4138         \end{eg}
4140         The following example shows the correct handling of the plus and minus signs, 
4141         which is usually the main cause of mistakes by students.
4142         
4143         \begin{eg}{Negative components}\label{eg:sdla}
4144         \egquestion
4145          San Diego is 120 km east and 150 km south of Los Angeles. An airplane pilot 
4146         is setting course from San Diego to Los Angeles. At what angle should she set her course,
4147          measured counterclockwise from east, as shown in the figure?
4148         
4149 <% marg(0) %>
4151   fig(
4152     'sdla',
4153     %q{Example \ref{eg:sdla}.}
4154   )
4156 <% end_marg %>
4157         \eganswer
4158          If we make the traditional choice of coordinate axes, with $x$ pointing to the right and $y$
4159          pointing up on the map, then her $\Delta x$ is negative, because her final $x$ value 
4160         is less than her initial $x$ value. Her $\Delta y$ is positive, so we have
4161         \begin{align*}
4162                 \Delta x         &= -120\ \zu{km}\\
4163                 \Delta y        &= 150\ \zu{km}  \qquad  .
4164         \end{align*}
4165         
4166         If we work by analogy with the example \ref{eg:comptopolar}, we get
4167         \begin{align*}
4168                 \theta        &= \zu{tan}^{-1} \frac{\Delta y}{\Delta x}\\
4169                         &= \zu{tan}^{-1}\left(- 1.25\right) \\
4170                         &= -51\degunit   \qquad .
4171         \end{align*}
4172         According to the usual way of defining angles in trigonometry, a negative result means 
4173         an angle that lies clockwise from the $x$ axis, which would have her heading for the Baja
4174          California. What went wrong? The answer is that when you ask your calculator to take
4175          the arctangent of a number, there are always two valid possibilities differing by 
4176         180\degunit. That is, there are two possible angles whose tangents equal -1.25:
4177         \begin{align*}
4178                 \zu{tan}\ 129\degunit &= - 1.25 \\
4179                 \zu{tan}\left(-51\degunit\right) &= - 1.25
4180         \end{align*}
4181         You calculator doesn't know which is the correct one, so it just picks one. In this case,
4182          the one it picked was the wrong one, and it was up to you to add $180\degunit$ to it to
4183          find the right answer.
4184         \end{eg}
4186 \begin{eg}{A shortcut}\label{eg:component-shortcut}
4187 \egquestion A split second after nine o'clock, the hour hand on a clock dial
4188 has moved clockwise past the nine-o'clock position by some imperceptibly small
4189 angle $\phi$. Let positive $x$ be to the right and positive $y$ up.
4190 If the hand, with length $\ell$, is represented by a $\Delta\vc{r}$ vector
4191 going from the dial's center to the tip of the hand,
4192 find this vector's $\Delta x$.
4194 \eganswer The following shortcut is the easiest way to work out examples like
4195 these, in which a vector's direction is known relative to one of the axes.
4196 We can tell that $\Delta\vc{r}$ will have a large, negative $x$ component
4197 and a small, positive $y$.
4198 Since $\Delta x<0$,  there are really only
4199 two logical possibilities: either $\Delta x = -\ell \cos\phi$, or
4200 $\Delta x = -\ell \sin\phi$. Because $\phi$ is small, $\cos\phi$ is large
4201 and $\sin\phi$ is small. We conclude that $\Delta x = -\ell \cos\phi$.
4203 A typical application of this technique to force vectors is given in
4204 example \ref{eg:layback} on p.~\pageref{eg:layback}.
4205 \end{eg}
4207         <% end_sec() %>
4208 <% begin_sec("Addition of vectors given their components") %>\label{subsec:vector-addition}\index{analytic addition of vectors}\index{vector addition!analytic}
4209         The easiest type of vector addition is when you are in possession of the components, 
4210         and want to find the components of their sum.
4211         
4212         \begin{eg}{San Diego to Las Vegas}\label{eg:sdvegas}
4213         \egquestion
4214          Given the $\Delta x$ and $\Delta y$ values from the previous examples, 
4215         find the $\Delta x$ and $\Delta y$ from San Diego to Las Vegas.
4217         \eganswer
4218         \begin{align*}
4219                 \Delta x_{total}        &= \Delta x_1 + \Delta x_2 \\
4220                         &= -120\ \zu{km} + 290\ \zu{km} \\
4221                         &= 170\ \zu{km} \\
4222                 \Delta y_{total}        &= \Delta y_1 + \Delta y_2 \\
4223                         &= 150\ \zu{km} + 230\ \zu{km} \\
4224                         &= 380 
4225         \end{align*}
4226         \end{eg}
4227 <% marg(90) %>
4229   fig(
4230     'eg-sd-vegas',
4231     %q{Example \ref{eg:sdvegas}.}
4232   )
4234 <% end_marg %>
4235         
4236         \subsubsection{Addition of vectors given their 
4237                         magnitudes and directions}
4238         In this case, you must first translate the magnitudes and directions into components,
4239         and the add the components.
4240         
4241         <% end_sec() %>
4242 <% begin_sec("Graphical addition of vectors") %>\label{subsec:vector-addition-graphical}\index{graphical addition of vectors}\index{vector addition!graphical}
4243         Often the easiest way to add vectors is by making a scale drawing on a piece of paper.
4244          This is known as graphical addition, as opposed to the analytic techniques discussed 
4245         previously.
4247   fig(
4248     'eg-sd-vegas-graphical',
4249     %q{Example \ref{eg:sd-vegas-graphical}.},
4250     {
4251       'width'=>'wide',
4252       'sidecaption'=>true
4253     }
4254   )
4257         \begin{eg}{From San Diego to Las Vegas, graphically}\label{eg:sd-vegas-graphical}
4258         \egquestion
4259          Given the magnitudes and angles of the $\Delta\vc{r}$ vectors from 
4260         San Diego to Los Angeles and
4261          from Los Angeles to Las Vegas, find the magnitude and angle of the $\Delta\vc{r}$ vector 
4262         from San Diego to Las Vegas.
4264         \eganswer
4265          Using a protractor and a ruler, we make a careful scale drawing, as shown in figure \figref{eg-sd-vegas-graphical} on page \pageref{fig:eg-sd-vegas-graphical}.
4266          A scale of 1 cm$\leftrightarrow$10 \zu{km} was chosen for this solution.
4267         With a ruler, we measure the
4268          distance from San Diego to Las Vegas to be 3.8 cm, which corresponds to 380 \zu{km}.
4269          With a protractor, we measure the angle $\theta$ to be 71\degunit.
4270         \end{eg}
4271         
4272         Even when we don't intend to do an actual graphical calculation with a ruler and protractor, 
4273         it can be convenient to diagram the addition of vectors in this way, as shown in figure \figref{tip-to-tail}. With $\Delta\vc{r}$
4274          vectors, it intuitively makes sense to lay the vectors tip-to-tail and draw the sum vector
4275          from the tail of the first vector to the tip of the second vector. We can do the same
4276          when adding other vectors such as force vectors.
4277 <% marg(28) %>
4279   fig(
4280     'tip-to-tail',
4281     %q{%
4282       Adding vectors graphically by placing them tip-to-tail, like a train.
4283     }
4284   )
4286 <% end_marg %>
4288         <% end_sec() %>
4289 <% begin_sec("Unit vector notation") %>
4290         When we want to specify a vector by its components, it can be cumbersome to have to
4291         write the algebra symbol for each component:
4292         \begin{equation*}
4293                 \Delta x = 290\ \zu{km},\quad \Delta y = 230\ \zu{km}
4294         \end{equation*}
4295         A more compact notation is to write
4296         \begin{equation*}
4297                 \Delta\vc{r} = (290\ \zu{km})\hat{\vc{x}} + (230\ \zu{km})\hat{\vc{y}}   ,
4298         \end{equation*}
4299         where the vectors $\hat{\vc{x}}$, $\hat{\vc{y}}$, and $\hat{\vc{z}}$, called the unit vectors,
4300          are defined as the vectors that have magnitude equal to 1 and directions lying along 
4301         the $x$, $y$, and $z$ axes. In speech, they are referred to as ``x-hat,''
4302         ``y-hat,'' and ``z-hat.''
4303         
4304         A slightly different, and harder to remember, version of this notation is unfortunately 
4305         more prevalent. In this version, the unit vectors are called
4306          $\hat{\vc{i}}$, $\hat{\vc{j}}$, and $\hat{\vc{k}}$:
4307         
4308         \begin{equation*}
4309                 \Delta\vc{r} = (290\ \zu{km})\hat{\vc{i}} + (230\ \zu{km})\hat{\vc{j}} \qquad   .
4310         \end{equation*}
4312         
4313         <% end_sec() %>
4314 <% begin_sec("Applications to relative motion, momentum, and force") %>
4315         Vector addition is the correct way to generalize the
4316         one-dimensional concept of adding velocities in relative
4317         motion, as shown in the following example:\index{velocity!addition of!vector}
4318         
4319 \begin{eg}{Velocity vectors in relative motion}\label{eg:boat}
4320 \egquestion You wish to cross a river and arrive at a dock
4321 that is directly across from you, but the river's current
4322 will tend to carry you downstream. To compensate, you must
4323 steer the boat at an angle. Find the angle $\theta $, given
4324 the magnitude, $|\vc{v}_{WL}|$, of the water's velocity relative
4325 to the land, and the maximum speed, $|\vc{v}_{BW}|$, of which the
4326 boat is capable relative to the water.
4328 \eganswer The boat's velocity relative to the land equals
4329 the vector sum of its velocity with respect to the water and
4330 the water's velocity with respect to the land,
4331 \begin{equation*}
4332             \vc{v}_{BL} =  \vc{v}_{BW}+  \vc{v}_{WL} \qquad     .
4333 \end{equation*}
4334 If the boat is to travel straight across the river, i.e.,
4335 along the $y$ axis, then we need to have $\vc{v}_{BL,x}=0$. This $x$
4336 component equals the sum of the $x$ components of the other two vectors,
4337 \begin{equation*}
4338             \vc{v}_BL,x  =  \vc{v}_BW,x +  \vc{v}_WL,x   \qquad  ,
4339 \end{equation*}
4341 \begin{equation*}
4342             0  =  -|\vc{v}_{BW}| \sin  \theta  + |\vc{v}_{WL}|   \qquad   .
4343 \end{equation*}
4344 Solving for $\theta $, we find
4345 \begin{align*}
4346             \sin  \theta  &=  |\vc{v}_{WL}|/|\vc{v}_{BW}|   \qquad ,\\
4347 \intertext{so}
4348             \theta &= \sin^{-1}\frac{|\vc{v}_{WL}|}{\vc{v}_{BW}}\qquad   .
4349 \end{align*}
4350 \end{eg}
4351 <% marg(130) %>
4353   fig(
4354     'greyhound',
4355     %q{The racing greyhound's velocity vector is in the direction of its motion, i.e., tangent to
4356        its curved path.}
4357   )
4359 \spacebetweenfigs
4361   fig(
4362     'boat',
4363     %q{Example \ref{eg:boat}}
4364   )
4366 <% end_marg %>
4367         
4368         \begin{eg}{How to generalize one-dimensional equations}
4369         \egquestion
4370         How can the one-dimensional relationships
4371         \begin{gather*}
4372                  p_{total} =  m_{total}  v_{cm}
4373         \intertext{and}
4374                  x_{cm} = \frac{\sum_{j}{ m_{j} x_j}}{\sum_{j}{ m_j}}
4375         \end{gather*}
4376         be generalized to three dimensions?
4378         \eganswer
4379         Momentum and velocity are vectors, since they have
4380         directions in space. Mass is a scalar. If we rewrite the first 
4381         equation to show the appropriate quantities notated as
4382         vectors,
4383         \begin{equation*}
4384                 \vc{p}_{total} =  m_{total} \vc{v}_{cm} \qquad ,
4385         \end{equation*}
4386         we get a valid mathematical operation, the multiplication of
4387         a vector by a scalar. Similarly, the second equation becomes
4388         \begin{equation*}
4389                 \vc{r}_{cm} = \frac{\sum_j{ m_{j}\vc{r}_j}}{\sum_{j}{ m_j}}
4390                                 \qquad ,
4391         \end{equation*}
4392         which is also valid. Each term in the sum on top contains a vector multiplied by a scalar,
4393         which gives a vector. Adding up all these vectors gives a vector, and dividing by the
4394         scalar sum on the bottom gives another vector.
4396         This kind of wave-the-magic-wand-and-write-it-all-in-bold-face technique
4397         will always give the right generalization from one dimension to three,
4398         provided that the result makes sense mathematically --- if you find yourself
4399         doing something nonsensical, such as adding a scalar to a vector, then
4400         you haven't found the generalization correctly.\label{magicwand}
4401         \end{eg}
4403 \begin{eg}{Colliding coins}
4404 \egquestion Take two identical coins, put one down on a piece of paper, and slide
4405 the other across the paper, shooting it fairly rapidly so that it hits the
4406 target coin off-center. If you trace the initial and final positions of the
4407 coins, you can determine the directions of their momentum vectors after the
4408 collision. The angle between these vectors is always fairly close to, but a
4409 little less than, 90 degrees. Why is this?
4411 \eganswer Let the velocity vector of the incoming coin be $\vc{a}$, and let
4412 the two outgoing velocity vectors be $\vc{b}$ and $\vc{c}$. Since the masses
4413 are the same, conservation of momentum amounts to $\vc{a}=\vc{b}+\vc{c}$,
4414 which means that it has to be possible to assemble the three vectors into
4415 a triangle. If we assume that no energy is converted into heat and sound, then
4416 conservation of energy gives (discarding the common factor of $m/2$)
4417 $a^2=b^2+c^2$ for the magnitudes of the three vectors. This is the
4418 Pythagorean theorem, which will hold only if the three vectors form a
4419 right triangle.
4421 The fact that we observe the angle to be somewhat less than 90 degrees shows
4422 that the assumption used in the proof is only approximately valid: a little energy \emph{is}
4423 converted into heat and sound. The opposite case would be a collision between
4424 two blobs of putty, where the maximum possible amount of energy is converted
4425 into heat and sound, the two blobs fly off together, giving an angle of
4426 zero between their momentum vectors. The real-life experiment interpolates
4427 between the ideal extremes of 0 and 90 degrees, but comes much closer to 90.
4428 \end{eg}
4430         Force is a vector, and we add force vectors when more than one force
4431         acts on the same object.
4433 <% marg(70) %>
4434                 %
4436   fig(
4437     'rampforces',
4438     %q{Example \ref{eg:rampforces}.}
4439   )
4441         
4442 <% end_marg %>
4443         \begin{eg}{Pushing a block up a ramp}\label{eg:rampforces}
4444         \egquestion
4445         Figure \figref{rampforces}/1 shows a block being pushed up a
4446         frictionless ramp at constant speed by an applied force $F_a$.
4447         How much force is required, in terms of the block's mass, $m$,
4448         and the angle of the ramp, $\theta$?
4449         
4450         \eganswer
4451         We analyzed this simple machine in example \ref{eg:inclinedplanework}
4452         on page \pageref{eg:inclinedplanework} using the concept of work.
4453         Here we'll do it using vector addition of forces.
4454         Figure \figref{rampforces}/2 shows the other two forces acting on
4455         the block: a normal force, $F_n$,  created by the ramp, and the
4456         gravitational force, $F_g$. Because
4457         the block is being pushed up at constant speed, it has zero
4458         acceleration, and the total force on it must be zero. In
4459         figure \figref{rampforces}/3, we position all the force vectors tip-to-tail
4460         for addition. Since they have to add up to zero, they must join up without
4461         leaving a gap, so they form a triangle. Using trigonometry we find
4462         \begin{align*}
4463                  F_{a}         &=  F_g\ \zu{sin}\:\theta \\
4464                         &=  mg\ \zu{sin}\:\theta \qquad   .
4465         \end{align*}
4466         \end{eg}
4468         \begin{eg}{Buoyancy, again}\label{eg:buoyancy}
4469         \index{buoyancy}\index{Archimedes' principle}
4470         In example \ref{eg:buoyancycube} on page \pageref{eg:buoyancycube}, we found that
4471         the energy required to raise a cube immersed in a fluid is as if the
4472         cube's mass had been reduced by an amount equal to the mass of the fluid
4473         that otherwise would have been in the volume it occupies (Archimedes' principle).
4474         From the energy perspective, this effect occurs because raising the cube allows
4475         a certain amount of fluid to move downward, and the decreased gravitational
4476         energy of the fluid tends to offset the increased gravitational energy of the cube. The proof
4477         given there, however, could not easily be extended to other shapes.
4479 <% marg(50) %>
4481   fig(
4482     'buoyancy2',
4483     %q{%
4484       Archimedes' principle works regardless of whether the
4485                       object is a cube. The fluid makes a force on every square millimeter of the object's
4486                       surface.
4487     }
4488   )
4490 <% end_marg %>
4491         Thinking in terms of force rather than energy, it becomes easier to give a proof
4492         that works for any shape. A certain upward force is needed to support the object
4493         in figure \figref{buoyancy2}. If this force was applied, then the object would be
4494         in equilibrium: the vector sum of all the forces acting on it would be zero. These
4495         forces are $\vc{F}_a$, the upward force just mentioned,
4496         $\vc{F}_g$, the downward force of gravity,
4497         and $\vc{F}_f$, the total force from the fluid:
4498         \begin{equation*}
4499                 \vc{F}_a+\vc{F}_{g}+\vc{F}_f = 0
4500         \end{equation*}
4501         Since the fluid is under more pressure at a greater
4502         depth, the part of the fluid underneath the object tends to make more force than the
4503         part above, so the fluid tends to help support the object.
4505         Now suppose the object was removed, and instantly replaced with an equal volume
4506         of fluid. The new fluid would be in equilibrium without any force applied to hold it up, so
4507         \begin{equation*}
4508                 \vc{F}_{gf}+\vc{F}_f = 0 \qquad ,
4509         \end{equation*}
4510         where $\vc{F}_{gf}$, the weight of the fluid, is not the same as $\vc{F}_g$, the
4511         weight of the object, but $\vc{F}_f$ is the same as before, since the pressure of
4512         the surrounding fluid is the same as before at any particular depth. We therefore have
4513         \begin{equation*}
4514                 \vc{F}_a=-\left(\vc{F}_g-\vc{F}_{gf}\right) \qquad ,
4515         \end{equation*}
4516         which is Archimedes' principle in terms of force: the force required to support the
4517         object is lessened by an amount equal to the weight of the fluid that would have occupied
4518         its volume.
4519         \end{eg}
4521         By the way, the word ``pressure'' that I threw around casually in the preceding
4522         example has a precise technical definition: force per unit area. The SI units of
4523         pressure are $\nunit/\munit^2$, which can be abbreviated as pascals,
4524         1 Pa = 1 $\nunit/\munit^2$. Atmospheric pressure is about 100 kPa.
4525         By applying the equation $\vc{F}_{g}+\vc{F}_f = 0$ to the top and bottom
4526         surfaces of a cubical volume of fluid, one can easily prove that the difference
4527         in pressure between two different depths is $\Delta P=\rho g\Delta y$. (In physics,
4528         ``fluid'' can refer to either a gas or a liquid.)\index{fluid!defined}
4529         \index{pressure!defined}\index{pressure!as a function of depth}\index{pascal (unit)}
4530         Pressure is discussed in more detail in chapter \ref{ch:thermo}.
4532         \begin{eg}{A solar sail}\label{eg:solarsail}
4533                 A solar sail\index{solar sail}, figure \figref{solarsail}/1, allows a spacecraft
4534                 to get its thrust without using  internal stores of energy or having to carry along
4535                 mass that it can shove out the back like a rocket. Sunlight strikes the sail
4536                 and bounces off, transferring momentum to the sail.
4537                 A working 30-meter-diameter solar sail, Cosmos 1, was built by
4538                 an American company, and was supposed to be launched into
4539                 orbit aboard
4540                 a Russian booster launched from a submarine, but launch attempts in 2001 and
4541                 2005 both failed.
4542 <% marg(0) %>
4544   fig(
4545     'solarsail',
4546     %q{Example \ref{eg:solarsail}.}
4547   )
4549           \spacebetweenfigs
4551   fig(
4552     'solar-sail-art',
4553     %q{An artist's rendering of what Cosmos 1 would have looked like in orbit.}
4554   )
4556 <% end_marg %>
4558                 In this example, we will calculate the optimal orientation of the sail, 
4559                 assuming that ``optimal'' means changing the vehicle's energy as rapidly as possible.
4560                 For simplicity, we model the complicated shape of the sail's surface as a disk,
4561                 seen edge-on in figure \figref{solarsail}/2, and we assume that the craft is
4562                 in a nearly circular orbit around the sun, hence the 90-degree angle between the
4563                 direction of motion and the incoming sunlight. We assume that the sail is
4564                 100\% reflective. The orientation
4565                 of the sail is specified using the angle $\theta$ between the
4566                 incoming rays of sunlight and the perpendicular to the sail. In other words,
4567                 $\theta\zu{=0}$ if the sail is catching the sunlight full-on, while $\theta\zu{=90}\degunit$
4568                 means that the sail is edge-on to the sun.
4570                 Conservation of momentum gives
4571                 \begin{align*}
4572                         \vc{p}_{light,i} &= \vc{p}_{light,f}+\Delta\vc{p}_{sail} \qquad , \\
4573                 \intertext{where $\Delta\vc{p}_{sail}$ is the change in momentum picked up
4574                         by the sail. Breaking this down into components, we have}
4575                         0 &= p_{light,f,x}+\Delta p_{sail,x} \qquad \text{and} \\
4576                         p_{light,i,y} &= p_{light,f,y}+\Delta p_{sail,y} \qquad .
4577                 \end{align*}
4578                 As in example \ref{eg:yarkovsky} on page \pageref{eg:yarkovsky}, the component
4579                 of the force that is directly away from the sun (up in figure \figref{solarsail}/2)
4580                 doesn't change the energy of the craft, so we only care about
4581                 $\Delta p_{sail,x}$, which equals $- p_{light,f,x}$. The outgoing
4582                 light ray forms an angle of 2$\theta$ with the negative $y$ axis, or
4583                 270$\degunit-2\theta$ measured counterclockwise from the $x$
4584                 axis, so the useful thrust depends on $-\zu{cos}(270\degunit-2\theta)
4585                 =\zu{sin}\:2\theta$.
4587                 However, this is all assuming a given amount of light strikes the sail.
4588                 During a certain time period, the amount of
4589                 sunlight striking the sail depends on the cross-sectional area the sail presents
4590                 to the sun, which is proportional to cos $\theta$. For $\theta\zu{=90}\degunit$,
4591                 cos $\theta$ equals zero, since the sail is edge-on to the sun.  
4593                 Putting together these two factors, the useful thrust is proportional to
4594                 $\zu{sin}\ 2\theta\ \zu{cos}\:\theta$, and this quantity is maximized
4595                 for $\theta\approx35\degunit$. A counterintuitive fact about this
4596                 maneuver is that as the spacecraft spirals outward, its total energy
4597                 (kinetic plus gravitational) increases, but its kinetic energy actually
4598                 decreases!
4599         \end{eg}
4600  % vectors
4602 \begin{eg}{A layback}\label{eg:layback}
4603 The figure shows a rock climber 
4604 using a technique called a layback. He can make the normal forces
4605 $\vc{F}_{N1}$ and $\vc{F}_{N2}$ large, which has the side-effect of increasing
4606 the frictional forces $\vc{F}_{F1}$ and $\vc{F}_{F2}$, so that he doesn't slip
4607 down due to the gravitational (weight) force $\vc{F}_W$. The purpose of the
4608 problem is not to analyze all of this in detail, but simply to practice
4609 finding the components of the forces based on their magnitudes.
4610 To keep the notation simple, let's write $F_{N1}$ for 
4611 $|\vc{F}_{N1}|$, etc. The crack overhangs by a small, positive angle $\theta\approx9\degunit$.
4613 In this example, we 
4614  determine the
4615 $x$ component of $\vc{F}_{N1}$. The other nine components are left as an exercise to
4616 the reader (problem \ref{hw:layback}, p.~\pageref{hw:layback}).
4618 The easiest method is the one demonstrated in example \ref{eg:component-shortcut}
4619 on p.~\pageref{eg:component-shortcut}. Casting vector $\vc{F}_{N1}$'s shadow on the ground,
4620 we can tell that it would point to the left, so its $x$ component is
4621 negative. The only two possibilities for its $x$ component are therefore
4622 $-F_{N1}\cos\theta$ or $-F_{N1}\sin\theta$. We expect this force to have
4623 a large $x$ component and a much smaller $y$. Since $\theta$ is small,
4624 $\cos\theta\approx 1$, while $\sin\theta$ is small. Therefore
4625 the $x$ component must be $-F_{N1}\cos\theta$.
4626 \end{eg}
4629   fig(
4630     'hw-layback',
4631     %q{Example \ref{eg:layback} and problem \ref{hw:layback} on p.~\pageref{hw:layback}.},
4632     {
4633       'width'=>'wide',
4634       'sidecaption'=>false
4635     }
4636   )
4639 \startdqs
4641 \begin{dq}
4642 An object goes from one point in space to another. After
4643 it arrives at its destination, how does the magnitude of its
4644 $\Delta\zb{r}$ vector compare with the distance it traveled?
4645 \end{dq}
4647 \begin{dq}
4648 In several examples, I've dealt with vectors having negative components.
4649 Does it make sense as well to talk about negative and
4650 positive vectors?
4651 \end{dq}
4653 \begin{dq}
4654 If you're doing \emph{graphical} addition of vectors,
4655 does it matter which vector you start with and which vector
4656 you start from the other vector's tip?
4657 \end{dq}
4659 \begin{dq}
4660 If you add a vector with magnitude 1 to a vector of
4661 magnitude 2, what magnitudes are possible for the vector sum?
4662 \end{dq}
4664 <% marg(0) %>
4666   fig(
4667     'dq-check-tip-to-tail',
4668     %q{Discussion question \ref{dq:tiptotail}.}
4669   )
4671 <% end_marg %>
4672 \begin{dq}\label{dq:tiptotail}
4673 Which of these examples of vector addition are correct,
4674 and which are incorrect?
4675 \end{dq}
4677 \begin{dq}
4678 Is it possible for an airplane to maintain a constant
4679 velocity vector but not a constant $|\zb{v}|$?  How about the
4680 opposite -- a constant $|\zb{v}|$ but not a constant velocity vector? Explain.
4681 \end{dq}
4683 \pagebreak
4685 \begin{dq}
4686 New York and Rome are at about the same latitude, so the
4687 earth's rotation carries them both around nearly the same
4688 circle. Do the two cities have the same velocity vector
4689 (relative to the center of the earth)? If not, is there any
4690 way for two cities to have the same velocity vector?
4691 \end{dq}
4693 <% marg(0) %>
4695   fig(
4696     'rollercoaster',
4697     %q{Discussion question \ref{dq:rollercoaster}.}
4698   )
4700 <% end_marg %>
4701 \begin{dq}\label{dq:rollercoaster}
4702 The figure shows a roller coaster car rolling down and
4703 then up under the influence of gravity. Sketch the car's
4704 velocity vectors and acceleration vectors. Pick an
4705 interesting point in the motion and sketch a set of force
4706 vectors acting on the car whose vector sum could have
4707 resulted in the right acceleration vector.
4708 \end{dq}
4710 \begin{dq}
4711 The following is a question commonly asked by students:
4713 ``Why does the force vector always have to point in the same
4714 direction as the acceleration vector? What if you suddenly
4715 decide to change your force on an object, so that your force
4716 is no longer pointing in the same direction that the object is accelerating?''
4718 What misunderstanding is demonstrated by this question?
4719 Suppose, for example, a spacecraft is blasting its rear main
4720 engines while moving forward, then suddenly begins firing
4721 its sideways maneuvering rocket as well. What does the
4722 student think Newton's laws are predicting?
4723 \end{dq}
4725 \begin{dq}
4726 Debug the following  \emph{incorrect} solutions to this vector addition
4727 problem.
4729 \emph{Problem}: Freddi Fish$^\zu{TM}$ swims 5.0 km northeast, and then
4730 12.0 km in the direction 55 degrees west of south. How far does she
4731 end up from her starting point, and in what direction is she from her
4732 starting point?
4734 \emph{Incorrect solution \#1:}\\
4735 5.0 km+12.0 km=17.0 km
4737 \emph{Incorrect solution \#2:}\\
4738 $\sqrt{(5.0\ \zu{km})^2+(12.0\ \zu{km})^2}$=13.0 km
4740 \emph{Incorrect solution \#3:}\\
4741 Let \zb{A} and \zb{B} be her two $\Delta\zb{r}$ vectors, and
4742 let $\zb{C}=\zb{A}+\zb{B}$. Then 
4743 \begin{align*}
4744         A_x        &= (5.0 \ \zu{km}) \cos 45\degunit = 3.5 \ \zu{km}\\
4745         B_x        &= (12.0 \ \zu{km}) \cos 55\degunit = 6.9 \ \zu{km} \\
4746         A_y        &= (5.0 \ \zu{km}) \sin 45\degunit = 3.5 \ \zu{km} \\
4747         B_y        &= (12.0 \ \zu{km}) \sin 55\degunit  = 9.8 \ \zu{km} \\
4748         C_x        &= A_x+B_x \\
4749                 &= 10.4 \ \zu{km} \\
4750         C_y        &= A_y+B_y \\
4751                 &= 13.3 \ \zu{km} \\
4752         |\zb{C}| &= \sqrt{C_x^2+C_y^2} \\
4753                 &= 16.9 \ \zu{km} \\
4754         \zu{direction} &= \tan^{-1} (13.3/10.4) \\
4755                         &= 52 \degunit \ \text{north of east}
4756 \end{align*}
4758 \pagebreak
4760 \emph{Incorrect solution \#4:}\\
4761 (same notation as above) 
4762 \begin{align*}
4763         A_x        &= (5.0 \ \zu{km}) \cos 45\degunit = 3.5 \ \zu{km}\\
4764         B_x        &= -(12.0 \ \zu{km}) \cos 55\degunit = -6.9 \ \zu{km} \\
4765         A_y        &= (5.0 \ \zu{km}) \sin 45\degunit = 3.5 \ \zu{km} \\
4766         B_y        &= -(12.0 \ \zu{km}) \sin 55\degunit  = -9.8 \ \zu{km} \\
4767         C_x        &= A_x+B_x \\
4768                 &= -3.4 \ \zu{km} \\
4769         C_y        &= A_y+B_y \\
4770                 &= -6.3 \ \zu{km} \\
4771         |\zb{C}| &= \sqrt{C_x^2+C_y^2} \\
4772                 &= 7.2 \ \zu{km} \\
4773         \zu{direction} &= \tan^{-1} (-6.3/-3.4) \\
4774                         &= 62 \degunit\ \text{north of east}
4775 \end{align*}
4777 \emph{Incorrect solution \#5:}\\
4778 (same notation as above) 
4779 \begin{align*}
4780         A_x        &= (5.0 \ \zu{km}) \cos 45\degunit = 3.5 \ \zu{km}\\
4781         B_x        &= -(12.0 \ \zu{km}) \sin 55\degunit = -9.8 \ \zu{km} \\
4782         A_y        &= (5.0 \ \zu{km}) \sin 45\degunit = 3.5 \ \zu{km} \\
4783         B_y        &= -(12.0 \ \zu{km}) \cos 55\degunit  = -6.9 \ \zu{km} \\
4784         C_x        &= A_x+B_x \\
4785                 &= -6.3 \ \zu{km} \\
4786         C_y        &= A_y+B_y \\
4787                 &= -3.4 \ \zu{km} \\
4788         |\zb{C}| &= \sqrt{C_x^2+C_y^2} \\
4789                 &= 7.2 \ \zu{km} \\
4790         \zu{direction} &= \tan^{-1} (-3.4/-6.3) \\
4791                         &= 28 \degunit\ \text{north of east}
4792 \end{align*}
4794 \end{dq}
4796 <% end_sec() %>
4797 <% end_sec() %>
4798 <% begin_sec("Calculus with vectors") %>
4799 <% marg(-60) %>
4801   fig(
4802     'deltav',
4803     %q{Visualizing the acceleration vector.}
4804   )
4806 <% end_marg %>
4807         <% begin_sec("Differentiation") %>
4808         In one dimension, we define the velocity as the derivative of the position
4809         with respect to time, and we can think of the derivative as what we get
4810         when we calculate $\Delta x/\Delta t$ for very short time intervals.
4811         The quantity $\Delta x=x_f-x_i$ is calculated by subtraction.
4812         In three dimensions, $x$ becomes \vc{r}, and the $\Delta\vc{r}$ vector
4813         is calculated by \emph{vector} subtraction, $\Delta\vc{r}=\vc{r}_f-\vc{r}_i$.
4814         Vector subtraction is defined component by component, so when we take
4815         the derivative of a vector, this means we end up taking the derivative
4816         component by component,
4817         \begin{equation*}
4818                 v_x =  \frac{\der x}{\der t} , \quad v_y =  \frac{\der y}{\der t}, \quad
4819                 v_z =  \frac{\der z}{\der t} 
4820         \end{equation*}
4821         or
4822         \begin{equation*}
4823                 \frac{\der\vc{r}}{\der t} 
4824                         = \frac{\der x}{\der t}\hat{\vc{x}}
4825                         +\frac{\der y}{\der t}\hat{\vc{y}}+\frac{\der z}{\der t}\hat{\vc{z}} \qquad .
4826         \end{equation*}
4827         All of this reasoning applies equally well to any derivative of a vector, so for
4828         instance we can take the second derivative,
4829         \begin{equation*}
4830                 a_x =  \frac{\der v_x}{\der t} , \quad 
4831                 a_y =  \frac{\der v_y}{\der t} , \quad 
4832                 a_z =  \frac{\der v_z}{\der t} 
4833         \end{equation*}
4834         or
4835         \begin{equation*}
4836                 \frac{\der\vc{v}}{\der t} 
4837                         = \frac{\der v_x}{\der t}\hat{\vc{x}}+\frac{\der v_y}{\der t}\hat{\vc{y}}
4838                         +\frac{\der v_z}{\der t}\hat{\vc{z}} \qquad .
4839         \end{equation*}
4841         A counterintuitive consequence of this is that the acceleration vector does not
4842         need to be in the same direction as the motion. The velocity vector 
4843         points in the direction of motion, but by Newton's second law,
4844         $\vc{a}=\vc{F}/m$, the acceleration vector points in the same direction as the force,
4845         not the motion. This is easiest to understand if we take velocity vectors
4846         from two different moments in the motion, and visualize subtracting them
4847         graphically to make a $\Delta\vc{v}$ vector.
4848         The direction of the $\Delta\vc{v}$
4849         vector tells us the direction of the acceleration vector as well, since
4850         the derivative $\der\vc{v}/\der t$ can be approximated as $\Delta\vc{v}/\Delta t$.
4851         As shown in figure \figref{deltav}/1, a change in the magnitude of the velocity vector implies
4852         an acceleration that is in the direction of motion. A change in the direction
4853         of the velocity vector produces an acceleration perpendicular to the motion,  \figref{deltav}/2.
4855         \index{circular motion}
4856         \begin{eg}{Circular motion}\label{eg:circularaccel}
4857         \egquestion
4858         An object moving in a circle of radius $r$ in the $x$-$y$ plane has
4859         \begin{align*}
4860                  x        &=  r\ \zu{cos}\ \omega t \qquad \text{and}\\
4861                  y        &=  r\ \zu{sin}\ \omega t \qquad ,
4862         \end{align*} 
4863         where $\omega$ is the number of radians traveled per second, and the positive or negative
4864         sign indicates whether the motion is clockwise or counterclockwise.
4865         What is its acceleration?
4867         \eganswer
4868         The components of the velocity are
4869         \begin{align*}
4870                  v_{x}        &= -\omega r\ \zu{sin}\ \omega t \qquad \text{and}\\
4871                  v_{y}        &= \ \ \ \omega r\ \zu{cos}\ \omega t \qquad ,
4872         \end{align*} 
4873         and for the acceleration we have
4874         \begin{align*}
4875                  a_{x}        &= -\omega^2 r\ \zu{cos}\ \omega t \qquad \text{and}\\
4876                  a_{y}        &= -\omega^2 r\ \zu{sin}\ \omega t \qquad .
4877         \end{align*} 
4878         The acceleration vector has cosines and sines in the same places as the
4879         \vc{r} vector, but with minus signs in front, so it points in the opposite direction,
4880         i.e., toward the center of the circle. By Newton's second law, \vc{a}=\vc{F}/$m$,
4881         this shows that the force must be inward as well; without this force, the object
4882         would fly off straight.
4883 <% marg(30) %>
4885   fig(
4886     'hammer',
4887     %q{%
4888       This figure shows an intuitive justification for the fact proved mathematically in the example,
4889       that the direction of the force and acceleration in circular motion is inward.
4890       The heptagon, 2, is a better approximation to a circle than the
4891               triangle, 1. To make an infinitely good approximation to circular motion,
4892               we would need to use an infinitely large number of infinitesimal taps, which
4893               would amount to a steady inward force.
4894     }
4895   )
4897 <% end_marg %>
4899         The magnitude of the acceleration is
4900         \begin{align*}
4901                 |\vc{a}|        &= \sqrt{ a_x^2+ a_{y}^2}\\
4902                                 &= \omega^2 r \qquad .
4903         \end{align*}
4904         It makes sense that $\omega$ is squared, since reversing the sign of $\omega$
4905         corresponds to reversing the direction of motion, but the acceleration is toward the
4906         center of the circle, regardless of whether the motion is clockwise or counterclockwise.
4907         This result can also be rewritten in the form
4908         \begin{equation*}
4909                 |\vc{a}|        = \frac{|\vc{v}|^2}{r} \qquad .
4910         \end{equation*}
4911         \end{eg}
4913         Although I've relegated the results $a=\omega^2 r=|\vc{v}|^2/r$ to an example because they are a straightforward corollary
4914         of more general principles already developed, they are important and useful enough to record for later use.
4915         \index{circular motion!inward force}
4916         \index{circular motion!no forward force}
4917         These results are
4918         counterintuitive as well. Until Newton, physicists and laypeople alike had assumed
4919         that the planets would need a force to push them \emph{forward} in their orbits.
4920         Figure \figref{hammer} may help to make it more plausible that only an inward force
4921         is required. A forward force might be needed in order to cancel out a backward
4922         force such as friction, \figref{carcircleforces}, but the total force in the forward-backward
4923         direction needs to be exactly zero for constant-speed motion.
4924         \index{circular motion!no outward force}
4925         When you are in a car undergoing circular motion, there is also a strong illusion of an
4926         \emph{outward} force. But what object could be making such a force? The car's seat
4927         makes an inward force on you, not an outward one. There is no object that could be
4928         exerting an outward force on your body. In reality, this force is an illusion that comes
4929         from our brain's intuitive efforts to interpret the situation within a noninertial frame of
4930         reference. As shown in figure \figref{truckcircular}, we can describe everything perfectly
4931         well in an inertial frame of reference, such as the frame attached to the sidewalk.
4932         In such a frame, the bowling ball goes straight because there is \emph{no} force
4933         on it. The wall of the truck's bed hits the ball, not the other way around.
4934 <% marg(100) %>
4936   fig(
4937     'carcircleforces',
4938     %q{%
4939       The
4940                        total force in the forward-backward direction is zero in both
4941               cases.
4942     }
4943   )
4945 \spacebetweenfigs
4947   fig(
4948     'truckcircular',
4949     %q{%
4950       There is no outward force on the bowling ball, but in the noninertial
4951                       frame it seems like one exists.
4952     }
4953   )
4955 <% end_marg %>
4957         <% end_sec() %>
4958 <% begin_sec("Integration") %>
4959         An integral is really just a sum of many infinitesimally small terms. Since vector
4960         addition is defined in terms of addition of the components, an integral of a vector
4961         quantity is  found by doing integrals component by component.
4963         \begin{eg}{Projectile motion}
4964         \egquestion
4965         Find the motion of an object whose acceleration vector is constant, for instance
4966         a projectile moving under the influence of gravity.
4968         \eganswer
4969         We integrate the acceleration to get the velocity, and then integrate the velocity to
4970         get the position as a function of time. Doing this to the $x$ component of the
4971         acceleration, we find
4972         \begin{align*}
4973                  x         &= \int{\left(\int{a_x\ \zu{d}t}\right)\ \zu{d}t} \\
4974                                 &= \int{\left(a_xt+v_{x\zu{o}}\right)\zu{d}t} \qquad ,\\
4975         \intertext{where $v_{ x\zu{o}}$ is a constant of integration, and}
4976                 x        &= \frac{1}{2}a_xt^2
4977                                                 + v_{x\zu{o}}t + x_\zu{o} \qquad .
4978         \end{align*}
4979         Similarly, $y\zu{=(1/2)} a_{y} t^2+  v_{ y\zu{o}} t +  y_\zu{o}$
4980         and $z=\zu{(1/2)} a_{z} t^2+  v_{ z\zu{o}} t +  z_\zu{o}$.
4981         Once one has gained a little confidence, it becomes natural to do the whole thing
4982         as a single vector integral,
4983         \begin{align*}
4984                 \vc{r}        &= \int{\left(\int{\vc{a}\ \zu{d} t}\right)\ \zu{d} t} \\
4985                                 &= \int{\left(\vc{a} t+\vc{v}_\zu{o}\right)\zu{d} t} \\
4986                         &= \frac{1}{2}\vc{a} t^2+\vc{v}_\zu{o} t+\vc{r}_\zu{o} \qquad ,
4987         \end{align*}
4988         where now the constants of integration are vectors.
4989         \end{eg}
4991 \startdqs
4993 <% marg(0) %>
4995   fig(
4996     'crack-the-whip',
4997     %q{Discussion question \ref{dq:crack-the-whip}.}
4998   )
5000 <% end_marg %>
5001 \begin{dq}\label{dq:crack-the-whip}
5002  In the game of crack the whip, a line of people stand
5003 holding hands, and then they start sweeping out a circle. 
5004 One person is at the center, and rotates without changing
5005 location.  At the opposite end is the person who is running
5006 the fastest, in a wide circle.  In this game, someone always
5007 ends up losing their grip and flying off.  Suppose the
5008 person on the end loses her grip.  What path does she follow
5009 as she goes flying off?  (Assume she is going so fast that
5010 she is really just trying to put one foot in front of the
5011 other fast enough to keep from falling; she is not able to
5012 get any significant horizontal force between her feet and the ground.)
5013 \end{dq}
5015 \begin{dq}
5016 Suppose the person on the outside is still holding on,
5017 but feels that she may loose her grip at any moment.  What
5018 force or forces are acting on her, and in what directions
5019 are they?  (We are not interested in the vertical forces,
5020 which are the earth's gravitational force pulling down, and
5021 the ground's normal force pushing up.)
5022 Make a table in the format shown in __subsection_or_section(analysis-of-forces).
5023 \end{dq}
5025 \begin{dq}
5026 Suppose the person on the outside is still holding on,
5027 but feels that she may loose her grip at any moment.  What
5028 is wrong with the following analysis of the situation? 
5029 ``The person whose hand she's holding exerts an inward force
5030 on her, and because of Newton's third law, there's an equal
5031 and opposite force acting outward.  That outward force is
5032 the one she feels throwing her outward, and the outward
5033 force is what might make her go flying off, if it's strong enough.''
5034 \end{dq}
5036 \begin{dq}
5037 If the only force felt by the person on the outside is an
5038 inward force, why doesn't she go straight in?
5039 \end{dq}
5041 <% marg(0) %>
5043   fig(
5044     'dq-tilt-a-whirl',
5045     %q{Discussion question \ref{dq:tilt-a-whirl}.}
5046   )
5048 <% end_marg %>
5049 \begin{dq}\label{dq:tilt-a-whirl}
5050 In the amusement park ride shown in the figure, the
5051 cylinder spins faster and faster until the customer can pick
5052 her feet up off the floor without falling. In the old Coney
5053 Island version of the ride, the floor actually dropped out
5054 like a trap door, showing the ocean below. (There is also a
5055 version in which the whole thing tilts up diagonally, but
5056 we're discussing the version that stays flat.) If there is
5057 no outward force acting on her, why does she stick to the
5058 wall? Analyze all the forces on her.
5059 \end{dq}
5061 \begin{dq}
5062 What is an example of circular motion where the inward
5063 force is a normal force?  What is an example of circular
5064 motion where the inward force is friction?  What is an
5065 example of circular motion where the inward force is the sum
5066 of more than one force? 
5067 \end{dq}
5069 \begin{dq}
5070 Does the acceleration vector always change continuously
5071 in circular motion? The velocity vector?
5072 \end{dq}
5074 \begin{dq}
5075 A certain amount of force is needed to provide the
5076 acceleration of circular motion. What if we are exerting a
5077 force perpendicular to the direction of motion in an attempt
5078 to make an object trace a circle of radius $r$, but the
5079 force isn't as big as $m|\zb{v}|^2/r$?
5080 \end{dq}
5082 \begin{dq}
5083 Suppose a rotating space station is built that gives its
5084 occupants the illusion of ordinary gravity. What happens
5085 when a person in the station lets go of a ball? What happens
5086 when she throws a ball straight ``up'' in the air (i.e.,
5087 towards the center)?
5088 \end{dq}
5090 <% end_sec() %>
5091 <% end_sec() %>
5092 <% begin_sec("The dot product",nil,'dotproduct') %>
5093         How would we generalize the mechanical work
5094         equation $\der E=F \der x$ to three dimensions?
5095         Energy is a scalar, but force and distance are vectors, so it might
5096         seem at first that the kind of ``magic-wand'' generalization discussed
5097         on page \pageref{magicwand} failed here, since we don't know of any way
5098         to multiply two vectors together to get a scalar. Actually, this is Nature giving
5099         us a hint that there is such a multiplication operation waiting for us to invent it,
5100         and since Nature is simple, we can be assured that this
5101         operation will work just fine in any situation where a similar generalization is
5102         required.  
5104         How should this operation be defined? Let's consider what we would get
5105         by performing this operation on various combinations of the unit vectors
5106         $\hat{\vc{x}}$, $\hat{\vc{y}}$, and $\hat{\vc{z}}$. The conventional notation
5107         for the operation is to put a dot, $\cdot$, between the two vectors, and the
5108         operation is therefore called
5109         the \emph{dot product}.\index{dot product}\index{vector!dot product}
5110         Rotational invariance requires that we handle the three coordinate axes
5111         in the same way, without giving special treatment to any of them, so we must
5112         have $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{x}}=\hat{\vc{y}}\cdot\hat{\vc{y}}=\hat{\vc{z}}\cdot\hat{\vc{z}}$
5113         and $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{y}}=\hat{\vc{y}}\cdot\hat{\vc{z}}=\hat{\vc{z}}\cdot\hat{\vc{x}}$.
5114         This is supposed to be a way of generalizing ordinary multiplication, so for consistency
5115         with the property $1\times1=1$ of ordinary numbers, the result
5116         of multiplying a magnitude-one vector by itself had better be the scalar 1, so
5117         $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{x}}=\hat{\vc{y}}\cdot\hat{\vc{y}}=\hat{\vc{z}}\cdot\hat{\vc{z}}=1$.
5118         Furthermore, there is no way to satisfy rotational invariance unless we define the mixed
5119         products to be zero,
5120         $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{y}}=\hat{\vc{y}}\cdot\hat{\vc{z}}=\hat{\vc{z}}\cdot\hat{\vc{x}}=0$;
5121         for example, a 90-degree rotation of our frame of reference about the $z$ axis
5122         reverses the sign of $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{y}}$, but rotational invariance requires
5123         that $\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{y}}$ produce the same result either way, and zero is the
5124         only number that stays the same when we reverse its sign. Establishing these six
5125         products of unit vectors suffices to define the operation in general, since any
5126         two vectors that we want to multiply can be broken down into components, e.g.,
5127         $(2\hat{\vc{x}}+3\hat{\vc{z}})\cdot\hat{\vc{z}}
5128         =2\hat{\vc{x}}\cdot\hat{\vc{z}}+3\hat{\vc{z}}\cdot\hat{\vc{z}}=0+3=3$. Thus by
5129         requiring rotational invariance and consistency with multiplication of ordinary
5130         numbers, we find that there is only one possible way to define a multiplication
5131         operation on two vectors that gives a scalar as the result.\footnote{There is, however,
5132         a different operation, discussed in the next chapter, which multiplies two vectors
5133         to give a vector.} The dot product has all of the properties we normally associate with
5134         multiplication, except that there is no ``dot division.''
5136         \begin{eg}{Dot product in terms of components}
5137         If we know the components of any two vectors \vc{b} and \vc{c}, we can find
5138         their dot product:
5139         \begin{align*}        
5140                 \vc{b}\cdot\vc{c}        &= 
5141                 \left( b_{x}\hat{\vc{x}}+ b_{y}\hat{\vc{y}}+ b_z\hat{\vc{z}}\right)
5142                 \cdot
5143                 \left( c_{x}\hat{\vc{x}}+ c_{y}\hat{\vc{y}}+ c_z\hat{\vc{z}}\right) \\
5144                         &=  b_x c_x+ b_y c_y+ b_z c_z \qquad .
5145         \end{align*}
5146         \end{eg}
5148         \begin{eg}{Magnitude expressed with a dot product}\label{eg:magnitudedot}
5149         If we take the dot product of any vector \vc{b} with itself, we find
5150         \begin{align*}        
5151                 \vc{b}\cdot\vc{b}        &= 
5152                 \left( b_{x}\hat{\vc{x}}+ b_{y}\hat{\vc{y}}+ b_z\hat{\vc{z}}\right)
5153                 \cdot
5154                 \left( b_{x}\hat{\vc{x}}+ b_{y}\hat{\vc{y}}+ b_z\hat{\vc{z}}\right) \\
5155                         &=  b_{x}^2+ b_{y}^2+ b_z^2 \qquad ,\\
5156         \intertext{so its magnitude can be expressed as}
5157                 |\vc{b}| &= \sqrt{\vc{b}\cdot\vc{b}} \qquad .
5158         \end{align*}
5159         We will often write $b^2$ to mean $\vc{b}\cdot\vc{b}$, when the context makes it
5160         clear what is intended. For example, we could express kinetic energy as
5161         $\zu{(1/2)} m|\vc{v}|^2$, $\zu{(1/2)} m\vc{v}\cdot\vc{v}$,
5162         or $\zu{(1/2)} m v^2$. In the third version, nothing but context tells
5163         us that $v$ really stands for the magnitude of some vector $\vc{v}$.
5164         \end{eg}
5166 <% marg(0) %>
5168   fig(
5169     'dotgeom',
5170     %q{The geometric interpretation of the dot product.}
5171   )
5173 <% end_marg %>
5174         \begin{eg}{Geometric interpretation}\label{eg:dot-product-interp}
5175         In figure \figref{dotgeom}, vectors \vc{a}, \vc{b}, and \vc{c} represent the sides of a triangle,
5176         and $\vc{a}=\vc{b}+\vc{c}$. The law of cosines gives
5177         \begin{equation*}
5178                 |\vc{c}|^2 = |\vc{a}|^2+|\vc{b}|^2-2|\vc{a}||\vc{b}|\ \zu{cos}\ \theta \qquad .
5179         \end{equation*}
5180         Using the result of example \ref{eg:magnitudedot}, we can also write this as
5181         \begin{align*}
5182                 |\vc{c}|^2        &= \vc{c}\cdot\vc{c} \\
5183                                         &= (\vc{a}-\vc{b})\cdot(\vc{a}-\vc{b}) \\
5184                                         &= \vc{a}\cdot\vc{a}+\vc{b}\cdot\vc{b}-2\vc{a}\cdot\vc{b} \qquad .
5185         \end{align*}
5186         Matching up terms in these two expressions, we find
5187         \begin{equation*}
5188                 \vc{a}\cdot\vc{b} = |\vc{a}||\vc{b}|\ \zu{cos}\ \theta \qquad ,
5189         \end{equation*}
5190         which is a geometric interpretation for the dot product.         \end{eg}
5192         The result of example \ref{eg:dot-product-interp} is very useful.
5193         It gives us a way to find the angle between two
5194         vectors if we know their components. It can be used to show that the dot product
5195         of any two perpendicular vectors is zero.
5196         It also leads to a nifty
5197         proof that the dot product is rotationally invariant --- up until now I've only
5198         proved that if a rotationally invariant product exists, the dot product is it ---
5199         because angles and lengths aren't affected by a rotation, so the right side of the
5200         equation is rotationally invariant, and therefore so is the left side.
5202 <% marg(30) %>
5204   fig(
5205     'breakingtrail',
5206     %q{%
5207       Breaking trail, by Walter E. Bohl.
5208               The pack horse is not doing any work on the pack, because
5209               the pack is moving in a horizontal line at constant speed, and therefore there is
5210               no kinetic or gravitational energy being transferred into or out of it.
5211     }
5212   )
5214 <% end_marg %>
5215         I introduced the whole discussion of the dot product by way of generalizing
5216         the equation $\der E=F\der x$ to three dimensions. In terms
5217         of a dot product, we have
5218         \begin{align*}
5219                 \der E        &= \vc{F}\cdot\der\vc{r} \qquad .\\
5220         \intertext{If \vc{F} is a constant, integrating both sides gives}
5221                 \Delta E        &= \vc{F}\cdot\Delta\vc{r} \qquad .
5222         \end{align*}
5223         (If that step seemed like black magic, try writing it out in terms
5224         of components.) If the force is perpendicular to the motion, as in figure
5225         \figref{breakingtrail}, then the work done is zero. The pack horse is doing
5226         work within its own body, but is not doing work on the pack.
5228         \begin{eg}{Pushing a lawnmower}
5229         \egquestion
5230         I push a lawnmower with a force $\vc{F}\zu{=(110 N)}\hat{\vc{x}}-\zu{(40 N)}\hat{\vc{y}}$,
5231         and the total distance I travel is $\zu{(100 m)}\hat{\vc{x}}$. How much work do I do?
5233         \eganswer
5234         The dot product is 11000 $\nunit\unitdot\munit$ = 11000 J.
5235         \end{eg}
5237         \label{separatepconsproof}
5238         A good application of the dot product is to allow us to write a simple, streamlined
5239         proof of separate conservation of the momentum components. (You can skip the
5240         proof without losing the continuity of the text.) The argument is
5241         a generalization of the one-dimensional proof on page \pageref{pconsproof1d},
5242         and makes the same assumption about the type of system of particles we're
5243         dealing with. The kinetic energy of one of the particles
5244         is $(1/2)m\vc{v}\cdot\vc{v}$, and when we
5245         transform into a different frame of reference moving with velocity \vc{u} relative
5246         to the original frame, the one-dimensional rule $v\rightarrow v+u$ turns into
5247         vector addition, $\vc{v}\rightarrow \vc{v}+\vc{u}$. In the new frame of reference,
5248         the kinetic energy is $(1/2)m(\vc{v}+\vc{u})\cdot(\vc{v}+\vc{u})$. For a system
5249         of $n$ particles, we have
5250         \begin{align*}
5251                 K        &= \sum_{j=1}^{n}{\frac{1}{2}m_j(\vc{v}_j+\vc{u})\cdot(\vc{v}_j+\vc{u})} \\
5252                         &= \frac{1}{2}\left[\sum_{j=1}^{n}{m_j\vc{v}_j\cdot\vc{v}_j}
5253                                         +2\sum_{j=1}^{n}{m_j\vc{v}_j\cdot\vc{u}}
5254                                         +\sum_{j=1}^{n}{m_j\vc{u}\cdot\vc{u}}\right]  \qquad .
5255         \end{align*}
5256         As in the proof on page \pageref{pconsproof1d}, the first sum is simply the
5257         total kinetic energy in the original frame of reference, and the last sum is
5258         a constant, which has no effect
5259         on the validity of the conservation law. The middle sum can be rewritten as
5260         \begin{align*}
5261                 2\sum_{j=1}^{n}{m_j\vc{v}_j\cdot\vc{u}}
5262                         &= 2\ \vc{u}\cdot\sum_{j=1}^{n}{m_j\vc{v}_j}\\
5263                         &= 2\ \vc{u}\cdot\sum_{j=1}^{n}{\vc{p}_j} \qquad ,
5264         \end{align*}
5265         so the only way energy can be conserved for all values of \vc{u} is
5266         if the vector sum of the momenta is conserved as well.
5268 <% end_sec() %>
5269 <% begin_sec("Gradients and line integrals (optional)") %>\label{gradandlineintegral}
5270         This subsection introduces a little bit of vector calculus. It can be omitted without
5271         loss of continuity, but the techniques will be needed in our study of electricity and
5272         magnetism, and it may be helpful to be exposed to them in easy-to-visualize
5273         mechanical contexts before applying them to invisible electrical and magnetic
5274         phenomena.
5276 <% marg(0) %>
5278   fig(
5279     'sea-of-arrows-wind',
5280     %q{An object moves through a field of force.}
5281   )
5283 <% end_marg %>
5284         In physics we often deal with fields of force, meaning situations where the force
5285         on an object depends on its position. For instance, figure \figref{sea-of-arrows-wind}
5286         could represent a map of the trade winds affecting a sailing ship, or a chart of
5287         the gravitational forces experienced by a space probe entering a double-star
5288         system. An object moving under the influence of this force will not necessarily
5289         be moving in the same direction as the force at every moment. The sailing
5290         ship can tack against the wind, due to the force from the water on the keel.
5291         The space probe, if it entered from the top of the diagram at high speed,
5292         would start to curve around to the right, but its inertia would carry it forward, and
5293         it wouldn't instantly swerve to match the direction of the gravitational force.
5294         For convenience, we've defined the gravitational field, \vc{g}, as the force
5295         \emph{per unit mass}, but that trick only leads to a simplification because the
5296         gravitational force on an object is proportional to its mass. Since this subsection
5297         is meant to apply to any kind of force, we'll discuss everything in terms of the
5298         actual force vector, \vc{F}, in units of newtons.
5300         If an object moves through the field of force along some curved path from point $\vc{r}_1$
5301         to point $\vc{r}_2$,
5302         the force will do a certain amount of work on
5303         it. To calculate this work, we can 
5304         break the path up into infinitesimally short segments,
5305         find the work done along each segment, and add them all up.
5306         For an object traveling along a nice straight $x$ axis, we use the symbol
5307         $\der x$ to indicate the length of any infinitesimally short segment.
5308         In three dimensions, moving along a curve, each segment is
5309         a tiny vector $\der\vc{r}=\hat{\vc{x}}\der x+\hat{\vc{y}}\der y+\hat{\vc{z}}\der z$.
5310         The work theorem can be expressed as a dot product, so the work done
5311         along a segment is $\vc{F}\cdot\der\vc{r}$. We want to integrate this, but
5312         we don't know how to integrate with respect to a variable that's a vector,
5313         so let's define a variable $s$ that indicates the distance traveled so far along
5314         the curve, and integrate with respect to it instead. The expression
5315         $\vc{F}\cdot\der\vc{r}$ can be rewritten as $|\vc{F}|\:|\der\vc{r}|\:\cos\theta$,
5316         where $\theta$ is the angle between \vc{F} and $\der\vc{r}$. But
5317         $|\der\vc{r}|$ is simply $\der s$, so the amount of work done becomes
5318         \begin{equation*}
5319                 \Delta E = \int_{\vc{r}_1}^{\vc{r}_2}{|\vc{F}| \cos\theta}\ \der s \qquad .
5320         \end{equation*}
5321         Both \vc{F} and $\theta$ are functions of $s$.
5322         As a matter of notation, it's cumbersome to have to write the integral like this.
5323         Vector notation was designed to eliminate this kind of drudgery. We therefore
5324         define the line integral\index{line integral}
5325         \begin{align*}
5326                 \int_C{\vc{F}\cdot\der\vc{r}}
5327         \end{align*}
5328         as a way of notating this type of integral. The `C' refers to the curve along which
5329         the object travels. If we don't know this curve then we typically can't evaluate
5330         the line integral just by knowing the initial and final positions $\vc{r}_1$ and $\vc{r}_2$.
5332         The basic idea of calculus is that integration undoes differentiation, and
5333         vice-versa. In one dimension, we could describe an interaction either in terms of
5334         a force or in terms of an interaction energy. 
5335         We could integrate force with respect to position
5336          to find minus the energy, or
5337         we could find the force by taking minus the derivative of the energy. In the line
5338         integral, position is represented by a vector. What would it mean to take a derivative
5339         with respect to a vector? The correct way to generalize the derivative
5340         $\der U/\der x$ to three dimensions is to replace it with the following vector,
5341         \begin{equation*}
5342                 \frac{\der U}{\der x}\hat{\vc{x}}
5343                 +\frac{\der U}{\der y}\hat{\vc{y}}
5344                 +\frac{\der U}{\der z}\hat{\vc{z}} \qquad ,
5345         \end{equation*}
5346         called the \emph{gradient}\index{gradient} of $U$, and written with an upside-down
5347         delta\footnote{The symbol $\nabla$ is called a ``nabla.'' Cool word!}
5348          like this, $\nabla U$.
5349         Each of these three derivatives is really what's known as a
5350         partial derivative.\index{derivative!partial}\index{partial derivative}\label{partial-der} What that means
5351         is that when you're differentiating $U$ with respect to $x$, you're supposed to treat
5352         $y$ and $z$ and constants, and similarly when you do the other two derivatives.
5353         To emphasize that a derivative is a partial derivative, it's customary to write it using
5354         the symbol $\partial$ in place of the differential d's. Putting all this notation together, we have
5355         \begin{equation*}
5356                 \nabla U = \frac{\partial U}{\partial x}\hat{\vc{x}}
5357                 +\frac{\partial U}{\partial y}\hat{\vc{y}}
5358                 +\frac{\partial U}{\partial z}\hat{\vc{z}} \qquad \text{[definition of the gradient]} \qquad .
5359         \end{equation*}
5360         The gradient looks scary, but it has a very simple physical interpretation. It's a vector
5361         that points in the direction in which $U$ is increasing most rapidly, and it tells you
5362         how rapidly $U$ is increasing in that direction. For instance, sperm cells in plants
5363         and animals find the egg cells by traveling in the direction of the gradient of the
5364         concentration of certain hormones. When they reach the location 
5365         of the strongest hormone concentration, they find their destiny. In terms of the
5366         gradient, the force corresponding to a given interaction energy is
5367         $\vc{F}=-\nabla U$.
5369         \begin{eg}{Force exerted by a spring}
5370         In one dimension, Hooke's law is $U=\zu{(1/2)} kx^2$.
5371         Suppose we tether one end of a spring to a post, but it's free to stretch and
5372         swing around in a plane. Let's say its equilibrium length is zero, and let's
5373         choose the origin of our coordinate system to be at the post.
5374         Rotational invariance requires that its energy only depend on the magnitude
5375         of the \vc{r} vector, not its direction, so in two dimensions we have
5376         $U=\zu{(1/2)} k|\vc{r}|^2
5377                 =\zu{(1/2)} k\left( x^2+ y^2\right)$.
5378         The force exerted by the spring is then
5379         \begin{align*}
5380                 \vc{F}        &= -\nabla  U \\
5381                                 &= -\frac{\partial U}{\partial x}\hat{\vc{x}}
5382                                         -\frac{\partial U}{\partial y}\hat{\vc{y}}\\
5383                                 &= - kx\hat{\vc{x}}- ky\hat{\vc{y}} \qquad .
5384         \end{align*}
5385         The magnitude of this force vector is $k|\vc{r}|$, and its direction is toward
5386         the origin.
5387         \end{eg}
5389 \backofchapterboilerplate{3}
5391  % ============================= homework ==============================  
5393 <% end_sec() %>
5394 <% end_sec() %><% begin_hw_sec %>
5396 <% begin_hw('keintermsofp',0) %>__incl(hw/keintermsofp)<% end_hw() %>
5398 <% begin_hw('rowboat') %>__incl(hw/rowboat)<% end_hw() %>
5400 <% begin_hw('gun') %>__incl(hw/gun)<% end_hw() %>
5402 <% begin_hw('funkosity') %>__incl(hw/funkosity)<% end_hw() %>
5404 <% begin_hw('twotoonecollision') %>__incl(hw/twotoonecollision)<% end_hw() %>
5406 <% begin_hw('recoil-double-speed') %>__incl(hw/recoil-double-speed)<% end_hw() %>
5408 <% begin_hw('max-heat-released-in-collision') %>__incl(hw/max-heat-released-in-collision)<% end_hw() %>
5410 <% begin_hw('exhaust',2,{'calc'=>true}) %>__incl(hw/exhaust)<% end_hw() %>
5412 <% begin_hw('no-force') %>__incl(hw/no-force)<% end_hw() %>
5414 <% begin_hw('trailer',0) %>__incl(hw/trailer)<% end_hw() %>
5416 <% begin_hw('elevatortension') %>__incl(hw/elevatortension)<% end_hw() %>
5418 <% begin_hw('fridge-recoil') %>__incl(hw/fridge-recoil)<% end_hw() %>
5421 <% begin_hw('copter') %>__incl(hw/copter)<% end_hw() %>
5423 <% begin_hw('blimp') %>__incl(hw/blimp)<% end_hw() %>
5424         
5425 <% begin_hw('time-to-brake') %>__incl(hw/time-to-brake)<% end_hw() %>
5426         
5427 <% begin_hw('oldlady') %>__incl(hw/oldlady)<% end_hw() %>
5428 <% marg(50) %>
5430   fig(
5431     'hw-oldlady',
5432     %q{Problem \ref{hw:oldlady}.}
5433   )
5435 <% end_marg %>
5437 <% begin_hw('earthaccelup') %>__incl(hw/earthaccelup)<% end_hw() %>
5439 <% begin_hw('gravityvsnormal') %>__incl(hw/gravityvsnormal)<% end_hw() %>
5441 <% marg(0) %>
5443   fig(
5444     'elevator',
5445     %q{Problem \ref{hw:elevator}.}
5446   )
5448 <% end_marg %>
5450 <% begin_hw('elevator') %>__incl(hw/elevator)<% end_hw() %>
5452 \pagebreak
5453         
5454 <% begin_hw('tugboat') %>
5455         A tugboat of mass $m$ pulls a ship of mass $M$, accelerating
5456         it. Ignore fluid friction acting on their hulls, although
5457         there will of course need to be fluid friction acting on the
5458         tug's propellers.\hwendpart
5459         (a) If the force acting on the tug's propeller is
5460         $F$, what is the tension, $T$, in the cable connecting the two
5461         ships? \hwhint{hwhint:tugboat}\answercheck\hwendpart
5462         (b) Interpret your answer in the special cases of $M=0$ and
5463         $M=\infty$.
5464 <% end_hw() %>
5465         
5466 <% begin_hw('kineticstrongerthanstatic') %>__incl(hw/kineticstrongerthanstatic)<% end_hw() %>
5470 <% begin_hw('alphastopping') %>__incl(hw/alphastopping)<% end_hw() %>
5472 <% begin_hw('mass-or-weight') %>__incl(hw/mass-or-weight)<% end_hw() %>
5473 <% marg(30) %>
5475   fig(
5476     'hw-mass-or-weight',
5477     %q{Problem \ref{hw:mass-or-weight}, part c.}
5478   )
5480 <% end_marg %>
5482 <% begin_hw('sally-spacehound') %>__incl(hw/sally-spacehound)<% end_hw() %>
5484 <% begin_hw('rice-sticks') %>__incl(hw/rice-sticks)<% end_hw() %>
5486 <% begin_hw('rope-over-edge',2,{'calc'=>true}) %>__incl(hw/rope-over-edge)<% end_hw() %>
5488 \noindent \emph{In problems \ref{hw:magnetundercar}-\ref{hw:airplaneforces}, analyze the forces using a table in the
5489 format shown in section \ref{subsec:analysis-of-forces}. Analyze the forces in which the
5490 italicized object participates.}
5492 <% begin_hw('magnetundercar') %>__incl(hw/magnetundercar)<% end_hw() %>
5494 <% begin_hw('nonormal') %>__incl(hw/nonormal)<% end_hw() %>
5496 <% begin_hw('row') %>__incl(hw/row)<% end_hw() %>
5497 <% marg(20) %>
5499   fig(
5500     'hw-row',
5501     %q{Problem \ref{hw:row}.}
5502   )
5504 \spacebetweenfigs
5506   fig(
5507     'hw-airplaneforces',
5508     %q{Problem \ref{hw:airplaneforces}.}
5509   )
5511 \spacebetweenfigs
5513   fig(
5514     'hw-stacked-blocks',
5515     %q{Problem \ref{hw:stacked-blocks}}
5516   )
5518 \spacebetweenfigs
5520   fig(
5521     'hw-dogsled',
5522     %q{Problem \ref{hw:dogsled}.}
5523   )
5525 <% end_marg %>
5527 <% begin_hw('cowcrush') %>__incl(hw/cowcrush)<% end_hw() %>
5529 <% begin_hw('airplaneforces') %>__incl(hw/airplaneforces)<% end_hw() %>
5533 <% begin_hw('stacked-blocks') %>__incl(hw/stacked-blocks)<% end_hw() %>
5535 <% begin_hw('dogsled') %>__incl(hw/dogsled)<% end_hw() %>
5537 <% begin_hw('third-law-partners') %>__incl(hw/third-law-partners)<% end_hw() %>
5539 <% begin_hw('skidmarks') %>__incl(hw/skidmarks)<% end_hw() %>
5541 <% begin_hw('coasting-skater') %>__incl(hw/coasting-skater)<% end_hw() %>
5543 <% begin_hw('youngmodulus') %>__incl(hw/youngmodulus)<% end_hw() %>
5545 <% marg(0) %>
5547   fig(
5548     'hw-bondstretching',
5549     %q{Problem \ref{hw:cubiclattice}}
5550   )
5552 <% end_marg %>
5554 <% begin_hw('cubiclattice') %>__incl(hw/cubiclattice)<% end_hw() %>
5556 <% begin_hw('three-pulleys') %>This problem has been deleted.<% end_hw() %>
5558 <% begin_hw('swimbladder',0) %>__incl(hw/swimbladder)<% end_hw() %>
5562 <% begin_hw('maxampatdc') %>__incl(hw/maxampatdc)<% end_hw() %>
5564 \vspace{15mm}
5566 <% begin_hw('qsix') %>__incl(hw/qsix)<% end_hw() %>
5568 \vspace{15mm}
5570 <% begin_hw('braginskii',2) %>__incl(hw/braginskii)<% end_hw() %>
5574 <% begin_hw('firework') %>__incl(hw/firework)<% end_hw() %>
5576 <% begin_hw('hockey-pucks') %>__incl(hw/hockey-pucks)<% end_hw() %>
5577 <% marg(50) %>
5579   fig(
5580     'hw-hockey-pucks',
5581     %q{Problem \ref{hw:hockey-pucks}}
5582   )
5584 <% end_marg %>
5586 <% begin_hw('planes') %>__incl(hw/planes)<% end_hw() %>
5588 <% begin_hw('tossup') %>__incl(hw/tossup)<% end_hw() %>
5589         
5590 <% begin_hw('misslettuce') %>__incl(hw/misslettuce)<% end_hw() %>
5592 <% begin_hw('niagara') %>__incl(hw/niagara)<% end_hw() %>
5596 <% begin_hw('baseballpitch') %>__incl(hw/baseballpitch)<% end_hw() %>
5598   fig(
5599     'hw-baseballpitch',
5600     %q{Problem \ref{hw:baseballpitch}.},
5601     {
5602       'width'=>'wide',
5603       'sidecaption'=>true
5604     }
5605   )
5606 %>        
5608 <% begin_hw('baseballrange') %>__incl(hw/baseballrange)<% end_hw() %>
5610 <% begin_hw('baseballrangeair',2) %>__incl(hw/baseballrangeair)<% end_hw() %>
5611         
5612 \pagebreak        
5614 <% begin_hw('walking') %>
5615         If you walk 35 km at an angle 25\degunit counterclockwise from
5616         east, and then 22 km at 230\degunit counterclockwise from east,
5617         find the distance and direction from your starting point to
5618         your destination. \answercheck
5619 <% end_hw() %>
5621 <% marg(2) %>
5623   fig(
5624     'hw-tiptotail',
5625     %q{Problem \ref{hw:tiptotail}.}
5626   )
5628 <% end_marg %>
5629 <% begin_hw('tiptotail',0) %>__incl(hw/tiptotail)<% end_hw() %>
5631 <% begin_hw('bangkok',0) %>__incl(hw/bangkok)<% end_hw() %>
5633 <% begin_hw('oppositevanda') %>__incl(hw/oppositevanda)<% end_hw() %>
5636   fig(
5637     'hw-fossil',
5638     %q{Problem \ref{hw:fossil}.},
5639     {
5640       'width'=>'wide'
5641     }
5642   )
5644 <% begin_hw('fossil') %>__incl(hw/fossil)<% end_hw() %>
5646 <% begin_hw('bird') %>__incl(hw/bird)<% end_hw() %>
5648 \pagebreak
5650 <% marg(0) %>
5652   fig(
5653     'hw-pressblock',
5654     %q{Problem \ref{hw:pressblock}}
5655   )
5657 <% end_marg %>
5658 <% begin_hw('pressblock') %>__incl(hw/pressblock)<% end_hw() %>
5660 <% begin_hw('skier') %>__incl(hw/skier)<% end_hw() %>
5662 <% begin_hw('cartesianbullet') %>__incl(hw/cartesianbullet)<% end_hw() %>
5664 <% begin_hw('annieoakley') %>__incl(hw/annieoakley)<% end_hw() %>
5665 <% marg(-30) %>
5667   fig(
5668     'cargoplane',
5669     %q{Problem \ref{hw:cargoplane}}
5670   )
5672 \spacebetweenfigs
5674   fig(
5675     'wagon',
5676     %q{Problem \ref{hw:wagon}}
5677   )
5679 \spacebetweenfigs
5681   fig(
5682     'hw-mixer',
5683     %q{Problem \ref{hw:mixer}.}
5684   )
5686 <% end_marg %>
5688 <% begin_hw('cargoplane') %>__incl(hw/cargoplane)<% end_hw() %>
5690 \enlargethispage{\baselineskip}
5692 <% begin_hw('wagon') %>__incl(hw/wagon)<% end_hw() %>
5694 <% begin_hw('reposeasteroid') %>__incl(hw/reposeasteroid)<% end_hw() %>
5696 \enlargethispage{\baselineskip}
5698 \vfill
5700 <% begin_hw('mixer') %>__incl(hw/mixer)<% end_hw() %>
5702 \vfill
5704 <% begin_hw('circularaccelunits',0) %>__incl(hw/circularaccelunits)<% end_hw() %>
5706 \vfill
5708 <% begin_hw('loop') %>__incl(hw/loop)<% end_hw() %>
5710 \vfill
5712 <% begin_hw('anglebetween',0) %>__incl(hw/anglebetween)<% end_hw() %>
5715 <% begin_hw('ropeslopes') %>__incl(hw/ropeslopes)<% end_hw() %>
5717 <% marg(50) %>
5719   fig(
5720     'ropeslopes',
5721     %q{Problem \ref{hw:ropeslopes}.}
5722   )
5724 <% end_marg %>
5726 \pagebreak
5728 \enlargethispage{\baselineskip}
5730 <% begin_hw('spider-oscillations') %>__incl(hw/spider-oscillations)<% end_hw() %>
5732   fig(
5733     'hw-spider-oscillations',
5734     %q{Problem \ref{hw:spider-oscillations}.},
5735     {'width'=>'wide'}
5736   )
5739 \pagebreak
5741 \enlargethispage{\baselineskip}
5743 <% begin_hw('skier-hits-dirt',2) %>__incl(hw/skier-hits-dirt)<% end_hw() %>
5745 <% begin_hw('microwaveice') %>__incl(hw/microwaveice)<% end_hw() %>
5747 <% begin_hw('atwood-redux') %>
5748 Problem \ref{ch:2}-\ref{hw:atwood-energy-sn} on page \pageref{hw:atwood-energy-sn} was intended to be solved using conservation
5749 of energy. Solve the same problem using Newton's laws.
5750 <% end_hw() %>
5752 <% begin_hw('spiral-terminal-velocity',2) %>__incl(hw/spiral-terminal-velocity)<% end_hw() %>
5754 <% begin_hw('bikeloop') %>__incl(hw/bikeloop)<% end_hw() %>
5756 \pagebreak
5758 <% begin_hw('maserati') %>__incl(hw/maserati)<% end_hw() %>
5760 <% begin_hw('board-on-counterrotating-wheels',2) %>__incl(hw/board-on-counterrotating-wheels)<% end_hw() %>
5761 <% marg(20) %>
5763   fig(
5764     'hw-board-on-counterrotating-wheels',
5765     %q{%
5766       Problem \ref{hw:board-on-counterrotating-wheels}.
5767     }
5768   )
5770 <% end_marg %>
5772 \pagebreak
5774 <% begin_hw('climbing-anchors') %>__incl(hw/climbing-anchors)<% end_hw() %>
5775 <% marg(80) %>
5777   fig(
5778     'hw-climbing-anchors',
5779     %q{Problem \ref{hw:climbing-anchors}.}
5780   )
5782 \spacebetweenfigs
5784   fig(
5785     'hw-crevasse',
5786     %q{Problem \ref{hw:crevasse}.}
5787   )
5789 <% end_marg %>
5791 <% begin_hw('crevasse') %>__incl(hw/crevasse)<% end_hw() %>
5793 \pagebreak
5796   fig(
5797     'hw-layback',
5798     %q{Problem \ref{hw:layback}.},
5799     {
5800       'width'=>'wide',
5801       'sidecaption'=>true
5802     }
5803   )
5806 <% begin_hw('layback') %>__incl(hw/layback)<% end_hw() %>
5808 <% begin_hw('wall-of-death') %>__incl(hw/wall-of-death)<% end_hw() %>
5809 <% marg(73) %>
5811   fig(
5812     'hw-wall-of-death',
5813     %q{Problem \ref{hw:wall-of-death}.}
5814   )
5816 <% end_marg %>
5818 \pagebreak
5821 <% begin_hw('death-triangle') %>__incl(hw/death-triangle)<% end_hw() %>
5822 <% marg(50) %>
5824   fig(
5825     'hw-death-triangle',
5826     %q{Problem \ref{hw:death-triangle}.}
5827   )
5829 <% end_marg %>
5831 <% begin_hw('beer-stability') %>__incl(hw/beer-stability)<% end_hw() %>
5833 <% begin_hw('haul-bag') %>__incl(hw/haul-bag)<% end_hw() %>
5835 <% end_hw_sec %>
5837  % ==================================================================== 
5838  % ==================================================================== 
5839  % ==================================================================== 
5840 \begin{exsection}
5842 \extitle{A}{Force and Motion}
5844 Equipment:
5846 \begin{indentedblock}
5847     2-meter pieces of butcher paper
5849     wood blocks with hooks
5851     string
5853     masses to put on top of the blocks to increase friction
5855     spring scales (preferably calibrated in Newtons)
5856 \end{indentedblock}
5858 Suppose a person pushes a crate, sliding it across the floor
5859 at a certain speed, and then repeats the same thing but at a
5860 higher speed. This is essentially the situation you will act
5861 out in this exercise. What do you think is different about
5862 her force on the crate in the two situations? Discuss this
5863 with your group and write down your hypothesis:
5865 \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_
5867 1. First you will measure the amount of friction between the
5868 wood block and the butcher paper when the wood and paper
5869 surfaces are slipping over each other. The idea is to attach
5870 a spring scale to the block and then slide the butcher paper
5871 under the block while using the scale to keep the block from
5872 moving with it. Depending on the amount of force your spring
5873 scale was designed to measure, you may need to put an extra
5874 mass on top of the block in order to increase the amount of
5875 friction. It is a good idea to use long piece of string to
5876 attach the block to the spring scale, since otherwise one
5877 tends to pull at an angle instead of directly horizontally.
5879 First measure the amount of friction force when sliding the
5880 butcher paper as slowly as possible:\_\_\_\_\_\_\_\_\_
5882 Now measure the amount of friction force at a significantly
5883 higher speed, say 1 meter per second. (If you try to go too
5884 fast, the motion is jerky, and it is impossible to get an
5885 accurate reading.) \_\_\_\_\_\_\_\_\_
5887 Discuss your results. Why are we justified in assuming that
5888 the string's force on the block (i.e., the scale reading) is
5889 the same amount as the paper's frictional force on the block?
5891 2. Now try the same thing but with the block moving and the
5892 paper standing still. Try two different speeds.
5894 Do your results agree with your original hypothesis? If not,
5895 discuss what's going on. How does the block ``know'' how fast to go?
5897  % ==================================================================== 
5898  % ==================================================================== 
5899  % ==================================================================== 
5900 \vfill\pagebreak[4]
5902 \extitle{B}{Vibrations}
5904 \noindent Equipment:
5905 \begin{itemize}
5906 \item air track and carts of two different masses
5907 \item springs
5908 \item spring scales
5909 \end{itemize}
5912   fig(
5913     'ex-vibrations',
5914     '',
5915     {
5916       'width'=>'wide',
5917       'anonymous'=>true,
5918       'float'=>false
5919     }
5920   )
5923 \noindent Place the cart on the air track and attach springs so that it can vibrate.
5925 1. Test whether the period of vibration depends on amplitude. Try at
5926 least two moderate amplitudes, for which the springs do not go slack,
5927 and at least one amplitude that is large enough so that they do go
5928 slack.
5930 2. Try a cart with a different mass. Does the period change by the
5931 expected factor, based on the equation $T=2\pi\sqrt{m/k}$?
5933 3. Use a spring scale to pull the cart away from equilibrium, and
5934 make a graph of force versus position. Is it linear? If so, what is
5935 its slope?
5937 4. Test the equation $T=2\pi\sqrt{m/k}$ numerically.
5939 \vfill\pagebreak[4]
5941  % ==================================================================== 
5942  % ==================================================================== 
5943  % ====================================================================  
5945 \extitle{C}{Worksheet on Resonance}
5947 1. Compare the oscillator's energies at A, B, C, and D.
5949 \widefignocaptionnofloat{ex-resonance-1}
5951 2. Compare the Q values of the two oscillators.
5953 \widefignocaptionnofloat{ex-resonance-2}
5955 3. Match the x-t graphs in \#2 with the amplitude-frequency graphs below.
5957 \widefignocaptionnofloat{ex-resonance-3}
5959 \vfill\pagebreak[4]
5961  % ==================================================================== 
5962  % ==================================================================== 
5963  % ====================================================================  
5965 \vspace{100mm}
5967 Exercise D is on the following two pages.
5969 \pagebreak
5971 \extitle{D}{Vectors and Motion}
5973 Each diagram on page \pageref{fig:ex-knightish} shows the motion of an object in
5974 an $x-y$ plane. Each dot is one location of the object at
5975 one moment in time. The time interval from one dot to the
5976 next is always the same, so you can think of the vector that
5977 connects one dot to the next as a $\vc{v}$ vector, and subtract
5978 to find $\Delta\vc{v}$ vectors.
5980 1. Suppose the object in diagram 1 is moving from the top
5981 left to the bottom right. Deduce whatever you can about the
5982 force acting on it. Does the force always have the same
5983 magnitude? The same direction?
5985 Invent a physical situation that this diagram could represent.
5987 What if you reinterpret the diagram, and reverse the
5988 object's direction of motion?
5990 2. What can you deduce about the force that is acting in diagram 2?
5992 Invent a physical situation that diagram 2 could represent.
5994 3. What can you deduce about the force that is acting in diagram 3?
5996 Invent a physical situation.
5998 \vfill\pagebreak[4]
6000 \fullpagewidthfignocaption{ex-knightish}\label{fig:ex-knightish}
6002 \vfill\pagebreak[4]
6004 \end{exsection}
6005 <% end_chapter() %>