Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Like dokumenter
Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Feltlikninger for fluider

MEK1100 Løsningsforslag til oppgavene i Feltteori og vektoranalyse

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Vektorfluks og sirkulasjon, divergens, virvling, strømfunksjonen

Tillegg om flateintegraler

Grensebetingelse for trykk der hvor vann møter luft

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.

Obligatorisk oppgave 2

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

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

FYS1120 Elektromagnetisme

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

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

Løsning IM

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

Fasit til eksamen i MEK1100 høst 2006

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, vår 2009

Løsning IM

(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).

Løsning, Stokes setning

Løsningsforslag til øving 3

TMA Representasjoner. Funksjoner. Operasjoner

Eksamen R2 høsten 2014 løsning

Virvelfrihet, potensialer, Laplacelikningen

Løsningsforslag til øving 4

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMA4105 MATEMATIKK 2 Lørdag 14. aug 2004

Oppgaver og fasit til kapittel 6

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

Maxwell s ligninger og elektromagnetiske bølger

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

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

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Test, 1 Geometri. 1.2 Regning med vektorer. X Riktig. X Galt. R2, Geometri Quiz løsning. Grete Larsen. 1) En vektor har lengde.

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.

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

MAT mars mars mars 2010 MAT Våren 2010

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

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

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.

Elektrisk potensial/potensiell energi

Oppgavehefte for Mek 1100

Gradientvektoren, vektorfelt, strømlinjer, feltlinjer

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

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

1. En tynn stav med lengde L har uniform ladning λ per lengdeenhet. Hvor mye ladning dq er det på en liten lengde dx av staven?

The full and long title of the presentation

Overflateladningstetthet på metalloverflate

Eksamen R2 høsten 2014

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

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

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

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

Eksamensoppgaver og Matematikk 1B

1 Geometri R2 Oppgaver

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Onsdag og fredag

TFE4120 Elektromagnetisme

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

Eksamen Ma 3 red.pensum 2006

Kurveintegraler, fluks, sirkulasjon, divergens, virvling

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

Eksamen i FO929A Matematikk Underveiseksamen Dato 9. desember 2008 Tidspunkt Antall oppgaver 6. Tillatte hjelpemidler Godkjent kalkulator

DEL 1. Uten hjelpemidler. Oppgave 1 (3 poeng) Oppgave 2 (3 poeng) Oppgave 3 (4 poeng) Oppgave 4 (4 poeng) Deriver funksjonene. b) g( x) 5e sin(2 x)

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

Trekanter er mangekanter med tre sider. Vi skal starte med å bli kjent med verktøyet som brukes til å tegne mangekanter.

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

NY Eksamen i matematikk III, 5 studiepoeng. August 2007

Velkommen til Eksamenskurs matematikk 2

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

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

Løsning av utvalgte øvingsoppgaver til Sigma R2 kapittel 2

Kap. 22. Gauss lov. Vi skal se på: Fluksen til elektrisk felt E Gauss lov. Elektrisk ledere. Integralform og differensialform

Lærerveiledning. Oppgave 1. Tallene på figuren viser omkretsen av hver av de fire små trekantene. Hva er omkretsen av den store trekanten?

R2 eksamen våren 2018 løsningsforslag

Transkript:

Kapittel 7 Integralsatser: Green, tokes og Gauss Oppgave 1 Vi har gitt strømfeltet v ωyi+ωxj der ω er en konstant. a) trømfarten: v ω 2 y 2 +ω 2 x 2 ωr, r x 2 +y 2. Langs sirkelen r 2 x 2 +y 2 er r konstant og dermed også v konstant. v n r y x Figur 7.1: En sirkel i xy-planet. irkulasjonen er gitt ved likningen C 71 v dr.

72 Integralsatser: Green, tokes og Gauss Fra oppgave 3, kapittel 6, har vi enhetsnormalen til en sirkel: n x r i+ y r j og v n ωyx + ωxy. r r trømfeltet v er altså tangensial til sirkelen. Denne opplysningen skal vi bruke ved beregning av sirkulasjonen: v dr ωrds der ds er et lite element av sirkelen. irkulasjonen blir C ωrds ωr ds ωr 2πr 2πωr 2. b) Vi regner først ut virvlingen: i j k v x y ωy ωx 2ωk. Integralet av virvlingen over sirkelflaten: vd 2ωkd 2ωk Greens sats: ( v) nd d 2ωπr 2 k. v dr der n er normalvektoren til sirkelflaten (ikke sirkelbuen ) n k. ( v) kd 2πωr 2. c) iden v er konstant for en gitt r, og v er tangent til sirkler med radius r, har vi ved symmetri v dr v dr v dr v dr. BC irkulasjonen er derfor gitt ved C CD CD c dr 4 DA v dr. Langs linjestykket er x x/2, dr dyj og y/2 y y/2: C 4 ωxdy 4ω x 2 y 2 y 2 dy 2ω x y.

73 y C B x D A Figur 7.2: Et kvadrat med sentrum i origo og sidekanter x y. Greens sats: ( v) nd CD v dr. Den venstre siden over kan nå regnes ut Oppgave 2 2ωk kd 2ω d 2ω x y. Delelinjen z y x

74 Integralsatser: Green, tokes og Gauss a) tokes sats: ( v) nd v dr. tokes sats sier at summen av virvlingsvektoren for hver halvkule er lik sirkulasjonen rundt. iden halvkulene har samme form og volum er lengden av sirkulasjonen lik, men fortegnet ulikt. For hver n 1 på den øvre halvkulen har vi en n 2 på den nedre halvkulen slik at n 1 n 2. ummen av sirkulasjonen av de to halvkulene blir derfor lik null. b) Radius av jordkloden: 637 km, atmosfæretykkelsen: 1 km. For en kule med radius 1 meter har vi en atmosfærestørrelse på 1 meter 1 mm. Vi har en 637 tilnærmet to-dimensjonal situasjon og det vil derfor være rimelig å bruke modellen fra oppgave a). Oppgave 3 Vi har gitt et tre-dimensjonalt strømfelt v α(xi+yj +zk) der α er en konstant. a) Enhets normalvektor er n r/r hvor r xi+yj +zk og r x 2 +y 2 +z 2. Vi ser at v αr. Da får vi Q v nd αr d (αr)(4πr 2 ) 4απr 3. Alternativt bruker vi Gauss sats: Q v nd der er volumet innenfor kuleflaten. vd Q 3α 4 3 πr3 4απr 3. 3αd 3α d b) Vi antar nå at er en vilkårlig flate. Volumstrømmen blir Q vd 3α der er volumet omslutter. Oppgave 4 En vektor med konstant lengde og retning kan skrives som A ai+bj +ck der a, b og c er konstanter. Flateintegralet av normalkomponenten av A over en lukket, sammenhengende flate kan vi beregne ved å bruke Gauss sats: A nd Ad.

75 Divergensen til A: og flateintegralet blir følgelig Oppgave 5 A a x + b y + c z A nd. Flateintegralet av en skalar β ganger enhetsnormalvektor til en lukket, sammenhengende flate kan vi beregne ved å bruke Gauss sats: βnd βd. Gradientvektoren β: og flateintegralet blir derfor Oppgave 6 β β β i+ x y j + β z k βnd. a) Vi tenker oss at vi deler opp volumet i små delvolumer i med overflate i. Trykket på et slikt volum er pn i, der n i er flatenormalen til i og minustegnet angir at trykket er rettet inn mot flaten. Trykkraften blir nå pn i d i og hvis vi summerer opp for alle delvolumene og lar i (og d i ) blir den totale trykkraften: F pnd. b) Vi bruker Gauss sats på trykkraften: F pnd pd. Trykket er gitt ved den hydrostatiske trykkformelen p p +ρgz og gradientvektoren til p blir p k p ρgk. Vi setter dette inn i uttrykket for trykkraften: z F ρgk d ρgk mgk der m ρ er massen av den merkede væsken. c) Oppdriftskraften (trykkraften F) avhenger kun av tettheten til væsken (ρ) og volumet av den fortrengte væsken (), ikke av egenskapene til objektet som fortrenger væsken. Trykkraften blir altså uforandret.

76 Integralsatser: Green, tokes og Gauss Oppgave 7 Et kraftfelt er gitt ved F (y 2 +5)i+(2xy 8)j. a) Kraften må være virvelfri: F i j k x y z y 2 +5 2xy 8. Kraftpotensialet, V, kan vi finne fra F V: 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). For å få en entydig V(x,y) må vi velge f 1 (y) 8y +C og f 2 (x) 5x+C slik at V(x,y) xy 2 5x+8y. b) Arbeidet er gitt ved W O: W O (y 2 +5)dx+ F dr + (2xy 8)dy. F dr. Langs linjen er y og dy og langs linjen er x 1 og dx. Dette gir W 1 5dx+ 5+(1 8) 2. 1 (2y 8)dy OB: Langs linjen fra origo til B er x y og dx dy og arbeidet blir W (x 2 +5+2x 2 8)dx OB 1 1 3 2. (3x 2 3)dx

77 c) W OB V dr dv OB OB V(1,1) +V(,) 1+5 8 C +C 2. Arbeidet for en kraft som kan avledes av et kraftpotensiale er uavhengig av veien og kun avhengig av verdien til potensialet i endepunktene. d) Vektorfluksen til F kan skrives som Q F nd F nd BC CO Vektorfluksen blir derfor F nd F nd F nd 1 1 1 F nd F nd F nd F nd. BC CO 8dx 8 (y 2 +5)dy 16 3 (2x 8)dx 7 1 (y 2 +5)dy 16 3. Q 8+ 16 3 7 16 3 1. La oss bruke Gauss sats på vektorfluksen: F nd F d. Divergensen til F er F +2x og vektorfluksen blir Q 2xd. er nå en kube med sidekanter lik 1: Q 1 1 1 1 1 1 1 1 1. dz 2xdxdydz [x 2] 1 dydz dydz

78 Integralsatser: Green, tokes og Gauss e) irkulasjonen rundt kurven kan skrives som C F dr + F dr + BC CO irkulasjonene blir derfor 1 1 1 1 5dx 5 BC (2y 8)dy 7 6dx 6 8dy 8. C 5 7 6+8. Vi skal nå beregne sirkulasjon ved hjelp av tokes sats: ( F) nd. F dr + F dr. CO La oss regne ut virvlingen: i j k F x y (2y 2y)k. y 2 +5 2xy 8 iden virvlingen er null blir også sirkulasjonen lik null.