Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Like dokumenter
Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING 11, TMA4105, V2008. x = r cos θ, y = r sin θ, z = 2r for 0 θ 2π, 2 2r 6. i j k. 5 r dr dθ = 8

MEK1100 Løsningsforslag til oppgavene i Feltteori og vektoranalyse

Obligatorisk oppgave 2

Oppgavesettet har 10 punkter 1, 2ab, 3ab, 4ab, 5abc som teller likt ved bedømmelsen.

Fasit for eksamen i MEK1100 torsdag 13. desember 2007 Hvert delspørsmål honoreres med poengsum fra 0 til 10 (10 for perfekt svar).

β = r 2 cosθsinθ. β = β β i+ j = yi+xj. (8.1)

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Løsning IM

β = r 2 cosθsinθ. β = β β i+ j = yi+xj. (8.1) = 2rcosθsinθi r +r( sinθsinθ+cosθcosθ)i θ

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

SIF5005 MATEMATIKK 2 VÅR r5 drdθ = 1 m. zrdzdrdθ = 1 m. zrdzdrdθ =

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

Oppgaver og fasit til kapittel 6

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

(t) = [ 2 cos t, 2 sin t, 0] = 4. Da z = 2(1 + t) blir kurva C en helix/ei skruelinje på denne flata (se fig side 392).

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

Matematikk 4, ALM304V Løsningsforslag eksamen mars da 1 er arealet av en sirkel med radius 2. F = y x = t t r = t t v = r = t t

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

UNIVERSITETET I OSLO

Tillegg om flateintegraler

EKSAMENSOPPGAVE. KRAFT I og II Hall del 2 Kraft sportssenter Ingen

Fasit til eksamen i MEK1100 høst 2006

Randkurva C til flata S orienteres positivt sett ovenfra, og kan parametriseres ved: r (t) = [ sin t, cos t, sin t] dt, 0 t 2π.

Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen

Oppgavehefte for Mek 1100

Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

R2 kapittel 1 Vektorer Løsninger til kapitteltesten i læreboka

dx = 1 1 )dx = 3 y= x . Tangentplanet til hyperboloiden i (2, 1, 3) er derfor gitt ved x 2, y 1, z 3 = 0 x 2 + 2(y 1) 2 (z 3) = 0 x + 2y 2z 3 = 2

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

y = x y, y 2 x 2 = c,

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMA4105 MATEMATIKK 2 Lørdag 14. aug 2004

Alternativ II: Dersom vi ikke liker å stirre kan vi gå forsiktigere til verks. Først ser vi på komponentlikninga i x-retning

F = x F 1 + y F 2 + z F 3 = y 2 z 2 + x 2. i j k F = xy 2 yz 2 zx 2 = i(0 ( 2yz)) j(2xz 0) + k(0 2xy) = 2yzi 2xzj 2xyk.

Løsning, Stokes setning

Eksamensoppgaver og Matematikk 1B

Øvelse, eksamensoppgaver MAT 1050 mars 2018

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Feltlikninger for fluider

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

Obligatorisk oppgåve 1

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, vår 2009

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl.10:00 og 12:00

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal Analyse våren Maple-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple02 28.

UNIVERSITETET I OSLO

The full and long title of the presentation

Oppgaver og fasit til seksjon

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: MAT-1003 Dato: Tirsdag 15. desember 2015 Tid: Kl 15:00 19:00 Sted: Åsgårdvegen 9

Divergens- og virvelfrie felter. Potensialstrøm

FYS1120 Elektromagnetisme

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Løsning til eksamen i ingeniørmatematikk

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAGET 5005/7 MATEMATIKK 2 1. august der k er et vilkårlig heltall. Det gir

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

5 z ds = x 2 +4y 2 4

e y + ye x +2x xe y + e x +1 0 = 0

= (2 6y) da. = πa 2 3

Løsningsforslag. a) Løs den lineære likningen (eksakt!) 11,1x 1,3 = 2 7. LF: Vi gjør om desimaltallene til brøker: x =

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 15-19/2

SIF 5005 Matematikk 2 våren 2001

TMA Representasjoner. Funksjoner. Operasjoner

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Eksamen, høsten 13 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Eksamen, høsten 14 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Oppfriskningskurs i matematikk 2008

Innlevering i FORK Matematikk forkurs OsloMet Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Onsdag 14.november 2018 kl. 10:30 Antall oppgaver: 13

Grensebetingelse for trykk der hvor vann møter luft

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen R2 høsten 2014 løsning

Eksamen IRF30014, våren 16 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Ma Flerdimensjonal Analyse II Øving 9

Figur 1: Volumet vi er ute etter ligger innenfor de blå linjene. Planet som de røde linjene ligger i deler volumet opp i to pyramider.

Løsning av utvalgte øvingsoppgaver til Sigma R2 kapittel 2

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Mandag qq 4πε 0 r 2 ˆr F = Elektrisk felt fra punktladning q (følger av definisjonen kraft pr ladningsenhet ): F dl

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX Elever 7. juni eksamensoppgaver.org

EKSAMEN. 3. klassene, ingenørutdanning. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 (innkl. forside og formelark)

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

EKSAMENSOPPGÅVE. Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator og formelsamling og 2 eigne A4-ark (4 sider totalt)

MAT mars mars mars 2010 MAT Våren 2010

TMA Tanker omkring innlevering 3 fra en studentassistents perspektiv

Transkript:

Kapittel 6 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft Oppgave 1 Vi skal regne ut kurveintegralet λ v dr langs kurven λ: y x3 når 1 x 2 og v xyi+x 2 j. Vi kan parametrisere med x som parameter, r(x) xi+yj xi+x 3 j, hvor 1 x 2. Da får vi dr (i + 3x 2 j)dx. Når parametriseringen settes inn i uttrykket for v får vi v x 4 i+x 2 j. Vi setter dette inn i integralet: Oppgave 2 λ v dr 2 1 ( x 4 +3x 4) dx 132 5. Et kraftfelt er gitt ved F ( y 2 +5 ) i+(2xy 8)j. y D C (1,1) A B x Figur 6.1: Et kvadrat ABCD i xy-planet. 59

6 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft ABC: ADC: W ABC F dr AB F dr + BC F dr. AB: Parametrisering r(x) xi for x 1, da er dr idx og y : AB F dr 1 5dx 5. BC: Parametrisering r(y) i+yj for y 1, da er dr jdy og x 1: BC Arbeidet blir W 5 7 2. W ADC F dr 1 F dr AD (2y 8)dy 7. F dr + DC F dr. AD: Parametrisering r(y) yj for y 1, da er dr jdy og x : AD 1 F dr 8dy 8. DC: Parametrisering r(x) xi+j for x 1, da er dr idx og y 1: DC Arbeidet blir W 8+6 2. F dr 1 6dx 6. AC: Parametrisering r(s) s(i+j) for s 1, da er dr (i+j)ds: 1 1 W F dr (s 2 +5)+(2s 2 8)ds 3s 2 3ds 2. AC Skal kraften kunne skrives som gradienten til et potensial V V(x,y) må vi ha F V som gir vektorlikningen ( y 2 +5 ) i+(2xy 8)j V V i x y j V x y2 5 V(x,y) xy 2 5x+f 1 (y) V y 2xy +8 V(x,y) xy2 +8y +f 2 (x).

61 For å få en entydig løsning må vi velge f 1 (y) 8y +C og f 2 (x) 5x+C. slik at V(x,y) xy 2 5x+8y +C. Vi kan nå regne ut arbeidet ved hjelp av potensialet: W V dr dv V(,) V(1,1). AC AC Punktet C: V(1,1) 1 5+8+C 2+C. Punktet A: V(,) C. Oppgave 3 W V(,) V(1,1) C 2 C 2. En sirkel S i xy-planet er gitt ved x 2 +y 2 r 2. Sirkelen kan betraktes som en ekviskalarkurve til funksjonen f(x,y) x 2 +y 2, en normalvektor til kurven kan skrives som f(x,y) 2xi+2yj (se figur 6.2). For at normalvektoren skal få lengde lik én må vi normalisere: n 2xi+2yj 4x 2 +4y x 2 r i+ y r j. Vi har nå gitt vektorfeltet v Ay Ax i+ j, A >. r2 r2 a) Strømhastigheten er tangensial til sirkelen hvis v n : Strømhastighetens størrelse: v n Ay r 2 x r + Ax r 2 y r Axy r 3 + Axy r 3. v (Langs sirkelen er r konstant.) A 2 y 2 r 4 + A2 x 2 r 4 A 2 (x 2 +y 2 ) r 4 A r. b) For å vise at strømfunksjonen eksisterer kan vi enten regne den ut, eller vi kan sjekke at v. Vis at den er divergensfri! Siden v er divergensfri og er todimensjonal i xy-planet så vet vi at det eksisterer en strømfunksjon ψ(x,y) som oppfyller likningene v x ψ y og v y ψ x. Vi løser disse og finner ψ(x,y) Aln x 2 +y 2 +α hvor α er en vilkårlig konstant. Strømlinjene framkommer som ekviskalarkurver for strømfunksjonen, ψ(x, y) konstant. Disse kan skrives som x 2 +y 2 konstant, og vi ser at de er sirkler med sentrum i origo.

62 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft v n S r y x Figur 6.2: En sirkel S i xy-planet. y x Figur 6.3: Strømlinjene til v Ay Ax i+ j er sirkler med sentrum i origo r2 r2

63 c) Langs sirkelen S er v og dr parallelle. Vinkelen mellom v og dr er, og vi husker at cos 1. Da blir skalarproduktet v dr v dr der v A/r og dr ds. Linjeintegralet blir nå C v dr A ds A 2πr 2πA. S r S r C kalles for sirkulasjonen. d) Linjeintegralet rundt et kvadrat ABCD (se figur 6.4) kan deles opp i fire deler: C v dr v dr + v dr + v dr + v dr. ABCD AB y BC CD DA C B x D A Figur 6.4: Et kvadrat med sentrum i origo og sidekanter lik 2. Langs linjestykket fra A til B kan vi velge parametriseringen r(y) i + yj for 1 y 1, og vi har at dr jdy og x 1: AB v dr 1 1 A [ ] 1 1+y 2 dy Aarctany Aπ 1 4 + Aπ 4 Aπ 2. Tilsvarende utregning langs de andre sidekantene gir v dr v dr v dr AB Sirkulasjonen blir altså BC CD C 4 Aπ 2 2πA. DA v dr.

64 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft Oppgave 4 a) Den hydrostatiske trykkformelen er gitt ved p p +ρgz. Trykkraften kan skrives som F pndσ σ σ topp pndσ På toppflaten er z d og n k: pndσ (p +ρgd)k σ topp σ bunn pndσ σ side pndσ. σ topp dσ (p +ρgd)πa 2 k. På bunnflaten er z d+l og n k: ( pndσ p +ρg(d+l) ) ( k dσ p +ρg(d+l) ) πa 2 k. σ bunn σ bunn På grunn av symmetri blir pndσ, dette kan for øvrig regnes ut direkte σ side ved å parametrisere sideflaten: r(θ,z) acosθi+asinθj +zk for θ 2π og d z d+l Da får vi ndσ r θ r dθdz (acosθi+asinθj)dθdz z Kraften på siden blir da d+l 2π pndσ (p +ρgz)(acosθi+asinθj)dθdz d σ side Den total trykkraften blir nå [ F (p +ρgd)πa 2 ( p +ρg(d+l) ) πa 2] k ρglπa 2 k Mgk der M ρlπa 2 er massen av væsken fortrengt av sylinderen. b) Oppgaveteksten ber oss om å gjette, da kan vi nøye oss med å bruke Arkimedes prinsipp som sier at trykkraften (oppdriften) er lik vekten av den fortrengte væsken: F Mgk, M ρ 4 3 πa3 4 3 ρgπa3 k.

65 Svaret kunne også ha blitt regnet ut direkte som et flateintegral ved å anvende kulekoordinater, eller det kan enda lettere regnes ut indirekte ved å anvende Gauss sats (da er det tilstrekkelilg å huske formelen for volumet av ei kule). For å regne det ut direkte som et flateintegral kan vi parametrisere r(θ,ϕ) asinθcosϕi+asinθsinϕj+acosθk+dk for θ π og ϕ 2π hvor vi har antatt at sentrum i kula ligger posisjon z d. Vi får da ndσ r θ r dθdϕ (asinθcosϕi+asinθsinϕj +acosθk)dθdϕ ϕ Trykkraften er σ 2π pndσ π (p +ρg(d+acosθ))(asinθcosϕi+asinθsinϕj+acosθk)dθdϕ 4 3 ρgπa3 k Oppgave 5 a) τ 3xye z dxdydz 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 3xye z dxdydz [ ] 3 1/2 2 x2 ye z 3 8 yez dydz [ ] 3 2 16 y2 e z dz dydz 3 4 ez dz 3 4 (e 1).

66 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft b) τ 3xye z dxdydz 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 2 3xye z dzdxdy [3xye z] 1 dxdy 3xy(e 1)dxdy [ ] 3 1/2 2 x2 y(e 1) dy 3 8 y(e 1)dy [ 3 16 y2 (e 1) ] 2 3 4 (e 1).

67 Oppgave 6 1 x y ( x 2 +3xy z 2) dzdydx 1 x 1 x 1 1 [ x 2 z +3xyz 1 3 z3 ] y dydx (x 2 y +3xy 2 13 y3 ) dydx [ 1 2 x2 y 2 +xy 3 1 ] x 12 y4 dx ( 1 2 x4 +x 4 1 ) 12 x4 dx 17 1 x 4 dx 12 17 6. Oppgave 7 En kule med radius lik én kan skrives som x 2 +y 2 +z 2 1. a) 1 x 1 1 x 2 y 1 x 2 1 x 2 y 2 z 1 x 2 y 2.

68 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft z z 1 x 2 y 2 y 1 x 2 y x y 1 x 2 z 1 x 2 y 2 Figur 6.5: En kule med radius lik en. b) Vi har gitt volumet τ: x 2 +y 2 +z 2 1. V 1 τ 1 1 x 2 1 dxdydz 1 x 2 1 x 2 1 1 x 2 1 x 2 y 2 1 x 2 y 2 dzdydx [ ] 1 x 2 y 2 z dydx 1 x 2 y 2 1 2 1 x 2 1 x 2 y 2 dydx. 1 1 x 2 Det innerste integralet kan vi uttrykke som a a 2 y 2 dy, a 1 x 2. a

69 Dette integralet kan vi finne løsningen til i en integraltabell: [ y a a 2 y 2 + a2 2 arcsin y a ] a a + a2 2 arcsin1 a2 2 arcsin( 1) a2 π 4 + a2 π 4 a2 π 2. Vi setter dette resultatet tilbake i volumintegralet: 1 V 2 1 1 π 1 π 2 a2 dx ( 1 x 2 ) dx [ π x 1 ] 1 3 x3 1 [ π 1 1 3 +1 1 ] 4π 3 3.

7 Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft