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Problem 13.46 Page 41
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The greatest ocean depth yet discovered is the Marianas Trench in the western Pacific Ocean. A steel ball released at the surface requires 64 minutes to reach the bottom. The ball's downward acceleration is a=0.9g - cv, where g=9.81 m/s2 and the constant c= 3.02 s -1. What is the depth of the Marianas Trench in kilometers?
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For the solution, the surface of the ocean is considered 0 for the displacement. The acceleration will be positive in the down-direction. Therefore, the acceleration, velocity, and displacement will all be positive in the down-direction. Also, for the solution, let d = 0.9g
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Given: a = d - cv (m/s2) c = 3.02 s-1 t = 64 minutes = 3840 seconds
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Definition of acceleration
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Substitute accel. and multiply by dt
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Divide by accel. to separate variables
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To integrate the right side, use the rule
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let u = d - c*v
du = -c dv |
u-substitution
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After integration
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At t = 0, v = 0
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Initial conditions
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Evaluate the constant of integration
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Equation for time
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Isolate the natural log
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Use both sides as exponents for e
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Subtract d from both sides
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Divide by -c
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Definition of velocity
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Substitute v
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Multiply by dt
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To integrate the middle integral, use
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let:
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u-substitution
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After integration
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Initial conditions
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At t = 0, s = 0
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Evaluate the constant of integration
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Equation of displacement
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At t = 3840 seconds
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The exponent of e evaluates to -11595. Since it is negative e will be in the denominator, and since the magnitude is so large this factor will be close enough to 0 that it can be ignored.
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Therefore, the Marianas Trench is 11.2 kilometers deep.
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