En besvarelse af Mat-A Fys-A Projekt nr. 1

Relaterede dokumenter
MM501 forelæsningsslides

GUX. Matematik. A-Niveau. August Kl Prøveform a GUX152 - MAA

Danmarks Tekniske Universitet

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Matematikprojekt Belysning

MM501/MM503 forelæsningsslides

Matematik A. Studentereksamen

Matematik B. Studentereksamen

10. Differentialregning

Grønland. Matematik A. Højere teknisk eksamen

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2019 ny ordning

Matematik A. Studentereksamen

STUDENTEREKSAMEN GUX MAJ MATEMATIK A-NIVEAU. Prøveform b. Kl GUX-MAA

STUDENTEREKSAMEN MAJ 2009 MATEMATIK A-NIVEAU. Mandag den 11. maj Kl STX091-MAA. Undervisningsministeriet

Svar på sommeropgave (2019)

Matematik A. 5 timers skriftlig prøve. Højere Teknisk Eksamen i Grønland maj 2009 GLT091-MAA. Undervisningsministeriet

Differentialligninger. Ib Michelsen

Løsninger til eksamensopgaver på B-niveau 2017

Matematik A. Prøvens varighed er 5 timer. Alle hjælpemidler er tilladt. Ved valgopgaver må kun det anførte antal afleveres til bedømmelse.

Matematik A. Studentereksamen. Skriftlig prøve (5 timer) Fredag den. december kl... STX MAA LQGG

STUDENTEREKSAMEN GUX MAJ MATEMATIK A-NIVEAU. Prøveform a. Kl GUX-MAA

MATEMATIK A-NIVEAU Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012 Differentialligninger

Den svingende streng

Matematik A. Studentereksamen

Danmarks Tekniske Universitet

Mat H 2 Øvelsesopgaver

M A T E M A T I K A 3

Differentialligninger med TI-Interactive!

Matematik A. Studentereksamen. Fredag den 6. december 2013 kl stx133-mat/a

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

Vejledende Matematik A

Matematik F2 Opgavesæt 2

Matematik A. Studentereksamen

A U E R B A C H M I K E # e z. a z. # a. # e x. # e y. a x

Fri vækstmodel t tid og P (t) kvantitet. dp dt = kp Løsninger P (t) = Ce kt C fastlægges ved en begyndelsesværdi. Oversigt [S] 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 11. august 2015 kl

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Modellering af grundvandsstrømning ved Vestskoven

Aalborg Universitet - Adgangskursus. Eksamensopgaver. Matematik B til A

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 10

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. , og et punkt er givet ved: P (2, 1).

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

z + w z + w z w = z 2 w z w = z w z 2 = z z = a 2 + b 2 z w

MM501 forelæsningsslides

MATEMATIK A-NIVEAU-Net

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

STUDENTEREKSAMEN AUGUST 2009 MATEMATIK A-NIVEAU. Onsdag den 12. august Kl STX092-MAA. Undervisningsministeriet

STUDENTEREKSAMEN MATHIT PRØVESÆT MAJ MATEMATIK A-NIVEAU. MATHIT Prøvesæt Kl STXA-MATHIT

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 8. Juni 2015

Matematik A. Studentereksamen. Tirsdag den 27. maj 2014 kl Digital eksamensopgave med adgang til internettet. 2stx141-MATn/A

Matematik A. Studentereksamen

MATEMATIK A-NIVEAU. Terminsprøve Kl STX0310-MAA-net

Epistel E2 Partiel differentiation

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

HTX. Matematik A. Onsdag den 11. maj Kl GL111 - MAA - HTX

20 = 2x + 2y. V (x, y) = 5xy. V (x) = 50x 5x 2.

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Taylorudvikling I. 1 Taylorpolynomier. Preben Alsholm 3. november Definition af Taylorpolynomium

Studieretningsopgave

Matematik A. Studentereksamen

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Oversigt [S] 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5

Matematik B. Højere forberedelseseksamen

Matematik A. Studentereksamen

Matematisk modellering og numeriske metoder

Matematik B. Studentereksamen

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. 1, og et punkt er givet ved: (2, 1)

Matematik A. Studentereksamen

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 7 opgaver over. Skitser det omdrejningslegeme, der fremkommer, når grafen for f ( x)

Matematik B. Højere Teknisk Eksamen. Projektoplæg

Danmarks Tekniske Universitet

HØJERE FORBEREDELSESEKSAMEN AUGUST 2007 MATEMATIK B-NIVEAU. Tirsdag den 14. august Kl HFE072-MAB

Danmarks Tekniske Universitet

Ang. skriftlig matematik B på hf

Matematik A. Studentereksamen. Fredag den 9. december 2011 kl stx113-mat/a

Mere om differentiabilitet

Stx matematik B december Delprøven med hjælpemidler

Mujtaba og Farid Integralregning

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2017

Matematik A. Studentereksamen. Digital eksamensopgave med adgang til internettet

Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

Matematik A. Studentereksamen

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Matematik A. Højere teknisk eksamen

Funktioner. 3. del Karsten Juul

Eksamen i Mat F, april 2006

Matematik A, STX. Vejledende eksamensopgaver

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 31. maj 2016 kl

MM501 forelæsningsslides

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

RKS Yanis E. Bouras 21. december 2010

PeterSørensen.dk : Differentiation

gl. Matematik A Studentereksamen

STUDENTEREKSAMEN DECEMBER 2007 MATEMATIK B-NIVEAU. Tirsdag den 18. december Kl STX073-MAB

Den Naturvidenskabelige Bacheloreksamen Københavns Universitet. Fysik september 2006

Transkript:

En besvarelse af Mat-A Fys-A Projekt nr. 1 Ole G. Mouritsen og Hans Jørgen Munkholm 21. oktober 2003 1 Hængebroen Et stykke af kablet af den omtalte form har i vort koordinatsystem endepunkter med koordinater (0, 0) og (x, y), hvor y = y(x) er ligningen for kabelkurven. Kabelstykket er påvirket af tyngdekraften, T x, samt en snorekraft i hver ende, S 0 og S x. Kræfterne skitseres side 2 eller side 3 (afhængig af, hvilket elektronisk format, du har fat i). Tyngdekraften er lodret nedadrettet og proportional med den masse, der hænger direkte under kabelstykket. Denne masse er µx, hvor µ er den givne konstante masse per længdeenhed. Idet tyngdeaccelerationen som sædvanlig betegnes g, har vi altså T x = µxgj. (1) Snorekræfterne går i retning af kabelkurvens tangenter i de to endepunkter, og er orienteret væk fra kabelstykket. I venstre endepunkt er tangentretningen givet ved vektoren i, og i højre endepunkt ved vektoren i + y (x)j. Vi har altså to positive konstanter og C x, så S 0 = i, S x = C x (i + y (x)j). (2) Da kabelstykket er i mekanisk ligevægt, er Betragter vi de to komponenter af denne vektorligning, får vi T x + S 0 + S x = 0. (3) + C x = 0, µxg + C x y (x) = 0. (4) Den første af disse to ligninger viser at C x = er konstant, og af den sidste fås da hvor k = µg y (x) = kx, (5) er konstant. Ved integration fås så, at kabelkurven er givet ved ligningen y(x) = k 2 x2 + c, (6) 1

hvor k og c er konstanter. Galileis kabelkurve er altså en parabel. I det ovenstående har vi dog egentlig kun betragtet den del af kabelkurven, som ligger til højre for origo. Et symmetriargument viser imidlertid, at parabelformen også gælder for den anden side. Vi har brugt y = y(x) i stedet for opgaveformuleringens A = A(x), fordi det tillader direkte genbrug af et par af ligningerne oven for i det næste afsnit. 2 Det hængende kabel Vi lader nu y = y(x) være den funktion, der beskriver det hængende kabel. Vi er først blevet bedt om at bestemme længden af kabelstykket fra (0, 0) til (x, y). Betegner vi længden med s = s(x), har vi ifølge Adams, Calculus, nederst side 670, at Da s(0) = 0, får vi heraf, at ds dx = 1 + y (x) 2. (7) s(x) = x 0 1 + y (t) 2 dt. (8) Kabelstykket er igen påvirket af to snorekræfter, S 0 og S x og en tyngdekraft T x. Formlerne (2) og (3) gælder uændret for den nye situation, men den relevante masse for kabelstykket er nu ρs(x), hvor ρ er kablets konstante masse per længdeenhed. Derfor erstattes formlen (1) med T x = ρs(x)gj. (9) I stedet for (4) får vi da Dermed kommer (5) til at lyde + C x = 0, ρs(x)g + C x y (x) = 0. (10) y (x) = ks(x), (11) hvor k denne gang er k = ρg. Differentierer vi nu (11) og benytter vi (7) i resultatet af differentiationen, får vi differentialligningen y (x) = k 1 + y (x) 2. (12) For at løse (12) sætter vi v(x) = y (x). Da er dv dx = y (x), så (12) lyder nu dv dx = k 1 + v 2. (13) Dette er en separabel 1. ordens differentialligning, som også kan skrives dv 1 + v 2 = kdx. (14) 2

Figure 1: Kraftdiagram for et kabelstykke. 3

Da vi fra Matematik A undervisningen (se specielt afleveringsopgaven fra uge 40, afsnit 1 3.6, nr. 6) ved, at en stamfunktion til 1+v 2 er sinh 1 (v), følger der af (14), at sinh 1 (v) = kx + C, (15) hvor C er en integrationskonstant. For x = 0 har kabelkurven minimum og dermed vandret tangent, dvs v(0) = y (0) = 0. Da sinh(0) = 0, er sinh 1 (0) = 0, så vi ser, at C = 0. Ligningen (15) kan derefter omskrives til v = sinh(kx). Da v = y (x), får vi ved integration, at det hængende kabels form er beskrevet ved ligningen y = 1 cosh(kx) + c, (16) k hvor k, c er konstanter. Konstanten c er alene bestemt af, hvor højt vi placerer vor x-akse i forhold til broens laveste punkt. Tager vi som angivet i opgaveteksten origo i kablets laveste punkt, bliver c = 1, idet vi jo har cosh(0) = 1. k 3 Afrunding Som nævnt i opgaveformuleringen er det kun meningen at hver projektgruppe behandler et enkelt af de afrundende spørgmål. Her kommenteres dog alle fem. 3.1 Et lod i kædelinjens nederste punkt Hænges der et lod op i kædelinjens nederste punkt, bliver der en ekstra, lodret nedadrettet kraft på dette kurvepunkt. Der er kun de to snorekræfter fra hver sin side af punktet til at afbalancere kraften fra loddet. Snorekræfterne må altså have en opadrettet, lodret komponent, hvilket betyder, at kurveformen må få en nedadrettet spids. Kurveformerne på de to sider af denne spids er hver for sig stadig kædelinier. I praksis vil vor model dog svigte i denne situation, idet vi helt har set væk fra kablets tykkelse og dets bøjningsstivhed. 3.2 Taylorudvikling Lad ophængningspunkterne have x = ±L. Matematisk set spørges der da om en Taylorudvikling til grad n af funktionen (16) omkring x = L eller x = L. Vi har valgt n = 2 og taget x = +L. Der gælder y(x) = 1 k cosh(kx) + c, y (x) = sinh(kx) og y (x) = k cosh(kx). Derfor er y(l) = 1 k cosh(kl) + c, y (L) = sinh(kl), y (L) = k cosh(kl). Taylorpolynomiet af grad 2 er derfor (jvfr. evt. Adams, Calculus, side 285) P 2 (x) = ( 1 k cosh(kl) + c) + sinh(kl) (x L) + k 2 cosh(kl) (x L)2. (17) 4

3.3 Bestemmelse af totalmassen Kablets totale masse m bæres af to ophængningspunkter, dvs. hvert punkt bærer m/2. Komponenten af snorspændingen T i retning af tyngdekraften er T sin θ, hvor θ er vinklen mellem retningen af tyngdekraften mg og kablets retning i ophængningspunktet. I mekanisk ligevægt gælder da T sin θ = mg/2 (18) hvoraf m kan bestemmes, når T og θ er kendte. 3.4 Beslægtede former i naturen Her kan nævnes sæbefilm (f.eks. en sæbeboble, som trækkes ud mellem to ringe), 3.5 En infinitesimal betragtningsmåde Vi betragter det infinitesimale stykke af kablet, der strækker sig fra punktet (x, y(x)) til (x+ x, y(x+ x)). Når x er infinitesimal, er længden af stykket s = ( x) 2 + ( y) 2. Dets masse er dermed ρ s, så tyngdekraften, der virker på det, er T = ρg ( x) 2 + ( y) 2 j. (19) De to snorekræfter er tangentielle og udadrettede i forhold til vort kabelstykke. De har derfor formen S x = C x (i + y (x)j), S x+ x = C x+ x (i + y (x + x)j), (20) hvor C x er en skalar, som a priori kunne tænkes at afhænge af x. Da kabelstykket er i ligevægt, er S x + S x+ x + T = 0. (21) Den første komponent af denne vektorligning giver, at C x = C x+ x, så C x er faktisk uafhængig af x, altså C x =. Den anden komponent af vektorligningen giver herefter (y (x + x) y (x)) = ρg ( x) 2 + y) 2. (22) Når denne ligning divideres med x, får vi y (x + x) y (x) x = ρg 1 + ( ) y 2. (23) x Bruger vi nu den kendsgerning, at x er infinitesimal (dette er i virkeligheden slang for lader vi nu x 0 ), ser vi, at y (x) = ρg 1 + y (x) 2. (24) Dette er netop ligningen (12) og resten af argumentet forløber nu ligesom i afsnit 2. 5