Задание 12
Физические приложения определенного интеграла
12.1.
Вычислить работу, которую надо совершить,
чтобы выкачать воду из вертикальной
цилиндрической бочки, имеющей радиус
основания
и высоту
.
12.2.
Вычислить работу, которую надо совершить
при постройке пирамиды с квадратным
основанием, если высота пирамиды -
сторона
основания -
плотность материала –
.
12.3. Вычислить работу, которую надо затратить, чтобы выкачать жидкость плотности из резервуара, имеющего форму конуса, обращенного вершиной вверх. Радиус основания , высота .
12.4.
Вычислить работу, которую надо затратить,
чтобы выкачать жидкость плотности
из резервуара, ограниченного поверхностями
12.5.
Вычислить работу, которую надо затратить,
чтобы насыпать кучу песка в форме
усеченного конуса высоты
,
имеющего радиусы оснований
и
Песок плотности
поднимают с поверхности земли, на
которой покоится большее основание
конуса.
12.6. Вычислить работу, которую надо затратить, чтобы выкачать воду, наполняющую цилиндрический резервуар с высотой и радиусом основания .
12.7. Вычислить работу, которую надо затратить, чтобы выкачать воду из полусферического котла, имеющего радиус .
12.8. Вычислить работу, которую надо затратить, чтобы выкачать масло через верхнее отверстие из цистерны, имеющей форму цилиндра с горизонтальной осью, если плотность масла , длина цистерны и радиус основания .
12.9. Какую работу надо затратить, чтобы тело массы поднять с поверхности земли, радиус которой , на высоту ? Чему равна эта работа, если тело должно быть удалено на бесконечность?
12.10. Вычислить работу, которую надо затратить, чтобы выкачать воду из конического сосуда, обращенного вершиной вниз, радиус основания которого равен и высота .
Некоторые физические задачи могут быть решены при помощи определенного интеграла.
Путь, пройденный точкой. Если точка движется по некоторой кривой и абсолютная величина скорости ее
есть известная функция времени
,
то путь, пройденный точкой за промежуток
времени
,
равен
Работа силы. Если переменная сила
действует в направлении оси Ох,
то работа силы на отрезке
равна
Кинетическая энергия. Кинетическая энергия системы
материальных точек, с массами
и обладающих скоростью
,
равна
Для подсчета кинетической энергии тела его надлежащим образом разбивают на элементарные частицы (играющие роль материальных точек), а затем, суммируя кинетические энергии этих частиц, в пределе получают интеграл.
Давление жидкости. Для вычисления силы давления жидкости используют закон Паскаля, согласно которому сила давления жидкости на площадку с глубиной погружения
равна
где
- удельный вес жидкости.
Пример 12. Вычислить работу, которую надо совершить, чтобы выкачать жидкость плотности из котла, имеющего форму параболоида вращения, обращенного вершиной вверх. Радиус основания – , высота – .
Решение
|
Через
произвольную точку
где
|
Рис. 5. |
Найдем
- дифференциал функции
.
Он представляет собой «элементарный
слой» тела, заключенный между параллельными
плоскостями, пересекающими ось
в точках
и
,
который приближенно может быть принят
за цилиндр с основанием
и высотой
.
Поэтому дифференциал объема равен
,
а т. к. площадь круга равна
,
то
Работа
,
совершаемая при поднятии тела весом
на высоту
,
равна
Работа, затрачиваемая на выкачивание
из резервуара слоя жидкости толщиной
есть функция от
,
т. е.
где
Находим главную часть приращения
при изменении
на величину
т.е. находим дифференциал
функции
:
где
-
вес «элементарного» слоя. Здесь
-
ускорение свободного падения,
-
плотность жидкости,
-
объем «элементарного» слоя жидкости.
Учитывая
,
получаем, что
Таким образом,
Интегрируя полученное равенство в
пределах от
до
находим
:
.
Ответ:
(Дж.).
Список рекомендуемой литературы
Демидович, Б. П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу для втузов: учеб. пособие для студентов высш. техн. заведений / Г. С. Бараненков, Б. П. Демидович, В. А. Ефименко и др.; под ред. Б. П. Демидовича. – М.: ООО «Издательство Астрель»; ООО «Издательство АСТ», 2002. – 495 с.
Виноградова, И. А. Задачи и упражнения по математическому анализу / И. А. Виноградова, С. Н. Олехник, В. А. Садовничий: Дифференциальное и интегральное исчисление функций одной переменной: учеб. пособие для ун-тов, пед. вузов / под ред. В. А. Садовничего: в 2 кн. Кн. 1. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк.. 2000. –725 с.
Кудрявцев, Л. Д., Сборник задач по математическому анализу. Интегралы и ряды: учеб. пособие. / А. Д . Кутасов, В. И. Чехлов, М. И. Шабунин / под ред. Л.Д. Кудрявцева - М.: Наука, Т. 2.-1986.
Ляшко, И. И. Математический анализ в примерах и задачах. Ч. I. Введение в анализ, производная, интеграл. / А. К. Боярчук, Я. Г. Гай, Г. П. Головач,– Киев: /Вища шк./, 1974. – 680 с.
Редактор Е. Л. Наркевич
Подписано в печать 23.05.05. Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16.
Печать офсетная Уч.-изд.л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ №
ГОУ ВПО “Кемеровский государственный университет”.
650043, Кемерово, ул. Красная, 6.
Отпечатано в издательстве “Кузбассвузиздат”.
650043, Кемерово, ул. Ермака, 7.
