Pallosäiliön täyttö

Anonyymi

Pallomainen, viiden kuutiometrin kokoinen säiliö täytetään vedellä. Veden tilavuusvirta on 20 litraa minuutissa.

Mikä on säiliön pinnan nousunopeuden minimi? Entä keskiarvo?

13

176

    Vastaukset 13

    Anonyymi (Kirjaudu / Rekisteröidy)
    5000
    • Anonyymi

      Tilavuusvirta on poikkipinta-ala*pinnan nopeus, ja on kokoajan vakio, eli nopeus on pienin, kun ala on suurin, eli siinä päivän tasaajalla.
      Lasketaan koko pallon tilavuudesta R, jolla lasketaan se päivän tasaajan poikkipinta-ala.
      Pinnan nopeus on sitten (0.02/60)/ päivän tasaajan poikkipinta-ala.
      Tuosta tulisi noin 9.43*10^-5 (m/s)

      Se keskiarvo voisi olla, paremman tiedon puuttuessa:
      2R korkean ja 5 kuution tilavuuden omaavan lieriön poikkipinta-ala*v=0.02/60.
      Tämä on kyllä pelkkä arvelu...tästä tulisi noin 14.14*10^-5 (m/s)

      • Anonyymi

        Tulisiko keskiarvo, jos pallon halkaisija jaettaisiin täyttymisajalla?


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        Tulisiko keskiarvo, jos pallon halkaisija jaettaisiin täyttymisajalla?

        Tuo taitaa olla yleisempikin totuus, eli kun säiliön korkeus jaetaan säiliön täyttymisajalla, niin saadaan keskiarvo säiliön pinnan nousunopeudelle. Aivan säiliön muodosta riippumatta.

        Joku viitseliäs todistakoon asian matemaattisesti.


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        Tuo taitaa olla yleisempikin totuus, eli kun säiliön korkeus jaetaan säiliön täyttymisajalla, niin saadaan keskiarvo säiliön pinnan nousunopeudelle. Aivan säiliön muodosta riippumatta.

        Joku viitseliäs todistakoon asian matemaattisesti.

        Totta! Olkoon täyttymisaika T ja h(t) korkeus hetkellä t. Analyysin peruslauseen mukaan

        integraali 0:sta T:hen { h'(t) 1/T }
        = 1/T * (h(T) - h(0))
        = h(T) / T


    • Olkoon pallon säde R (dm) ja virtausnopeus k (l/min). Merkitään T (min) aikaa jolloin säiliö tulee täyteen eli T = 4pi/(3k)*R^3 = 5000/k.
      Ratkaistaan ensin tilavuus V(h), kun korkeus on h. Rajoitetaan tässä h välille [0, R] eli täytetään pallo vain puolilleen. (Yläosan täyttö on symmetrinen). Esim integroimalla saadaan

      V(h) = -pi/3 h^3 pi*R*h^2

      Nyt tilavuus V on ajan t (min) funktio: V(t) = kt, joten sijoitetaan ylempään ja saadaan implisiittinen yhtälö

      -pi/(3k) h^3 pi*R/k h^2 = t

      Tästä voitaisiin kolmannen asteen kaavalla ratkaista h(t), mutta siitä ei tule mitään kaunista. Muistetaan että käänteisfunktion derivaatta on funktion derivaatan käänteisluku laskettuna funktion arvossa. Meillä on siis nyt h:[0, T] -> R funktion f: [0, 2R] -> R käänteisfunktiona missä f on

      f(x) = -pi/(3k) x^3 pi*R/k x^2

      Funktion f derivaatta on positiivinen, joten h'(t):n minimi löydetään etsimällä f'(x):n maksimi. Se on x = R ja saadaan h':n minimiksi saadaan (sijoitetaan parametrien arvot)

      k/(piR^2) = 0,057

      Tämähän oli jo intuitiivisesti selvää että pienimmillään korkeuden kasvu on kun on eniten alallisesti täytettävää eli puolessa välissä.

      Sitten keskiarvon kimppuun. Tässäkin voidaan käyttää symmetriaa eli riittää tutkia puolipalloa: yläosan täyttö menee samoilla nopeuksilla (mutta ajassa käänteisesti), joten keskiarvo tulee olemaan sama kuin puolipallon keskiarvo.

      Noh, integroidaan h':kkua ajan tasajakaumaa vasten (t on välillä [0, T/2])

      E[h'] = int_0^{T/2} h'(t) 2/T dt
      = 2/T * h(T/2)
      = 3k/(2pi*R^3) * R
      = 3k / (2pi*R^2)
      = 0,085

      • Anonyymi

        Näkyy olevan laatuna dm/min. Kun muuttaa m/s, niin koko lailla samat nopeudet kuin minullakin, ja noiden nopeuksien suhde on ihan tarkkaan 2/3 myös minulla.


      • Anonyymi

        Ei tässä ole kyse mistään satunnaismuuttujasta eikä "ajan tasajakautumasta".

        Integraalilaskun väliarvolause sanoo, että jos f(x) on jatkuva suljetulla välillä (a,b) niin a:n ja b:n välissä on aina sellainen arvo z että Int(a,b) (f(x) dx) = f(z) * (b - a).

        Tuota arvoa f(z) voidaan pitää funktion keskiatvona.
        Tässä palloesimerkissä lause sanoo: on olemassa sellainen arvo 0 < z < T että

        Int(0,T) (h'(t) dt) = h'(z) * T.h' :n "keskiarvo" on h'(z).
        Integraalin arvo = h(T) - h(0) = 2 R
        Siis h'(z) = 1/T * 2R
        Tässä T = 15000 s ja R = 1,0608 m joten keskiarvo h'(z) = 0,00014144 m/s = 0,0084864 m / min.
        250 min * h'(z) = 2,1216 m = 2 R


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        Ei tässä ole kyse mistään satunnaismuuttujasta eikä "ajan tasajakautumasta".

        Integraalilaskun väliarvolause sanoo, että jos f(x) on jatkuva suljetulla välillä (a,b) niin a:n ja b:n välissä on aina sellainen arvo z että Int(a,b) (f(x) dx) = f(z) * (b - a).

        Tuota arvoa f(z) voidaan pitää funktion keskiatvona.
        Tässä palloesimerkissä lause sanoo: on olemassa sellainen arvo 0 < z < T että

        Int(0,T) (h'(t) dt) = h'(z) * T.h' :n "keskiarvo" on h'(z).
        Integraalin arvo = h(T) - h(0) = 2 R
        Siis h'(z) = 1/T * 2R
        Tässä T = 15000 s ja R = 1,0608 m joten keskiarvo h'(z) = 0,00014144 m/s = 0,0084864 m / min.
        250 min * h'(z) = 2,1216 m = 2 R

        h`(t) ei ole määritelty kun t=0 tai t=T


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        h`(t) ei ole määritelty kun t=0 tai t=T

        Mitä väliä. Aina voi käydä lunttaamassa youtubesta sen, miten lasketaan derivaatan raja-arvo kun t->0 tai t->T.


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        h`(t) ei ole määritelty kun t=0 tai t=T

        Niinpä. Väliarvolausetta ei voi suoraan soveltaa. Mutta tuon integraalin arvo I on tunnetulla rajamenettelyllä määrättävissä ja I = h(T) - h(0) = 2 R. Jos merkitään Z = 2R/T niin

        Z*T = I ja lukua Z voidaan pitää h' :n keskiarvona, onhan Z * T = 2 R.
        Itse asiassa inf >= h'(t) >= k/ ( pii*R^2) missä k = dV/dt = 1/3000 (m^3/s).
        h'(t) saa kaikki arvot tuolta väliltä ja 2R/T > k/(pii*R^2) joten siellä on piste z missä h'(z) = Z.


      • Anonyymi
        Anonyymi kirjoitti:

        Niinpä. Väliarvolausetta ei voi suoraan soveltaa. Mutta tuon integraalin arvo I on tunnetulla rajamenettelyllä määrättävissä ja I = h(T) - h(0) = 2 R. Jos merkitään Z = 2R/T niin

        Z*T = I ja lukua Z voidaan pitää h' :n keskiarvona, onhan Z * T = 2 R.
        Itse asiassa inf >= h'(t) >= k/ ( pii*R^2) missä k = dV/dt = 1/3000 (m^3/s).
        h'(t) saa kaikki arvot tuolta väliltä ja 2R/T > k/(pii*R^2) joten siellä on piste z missä h'(z) = Z.

        Pienen pieni korjaus:p.o. ... joten välillä 0 <= t <= T on piste z missä h'(z) = Z.

        Tarkastelen asiaa vielä väliarvolauseen avulla. Olkoon T-e >= t >= e > 0. Suljetulla välillä (T-e,e) voidaan käyttää väliarvolausetta ja välillä T-e > t > e on siis piste z(e) missä h'(z(e)) = 1/(T - 2 e) *(h(T-e)) - h(e)).
        lim(e -> 0) 1/(T - 2e)* (h(T-e) - h(e)) = 1/T * 2R = Z. Siis lim (e-> 0) h'(z(e)) =Z. Ja Z<inf. Koska h'(t) saa välillä 0<= t <= T kaikki arvot joissa inf >= h'(t) >= k/(pii* R^2) niin on olemassa piste 0 <z < T missä h'(z) = Z.


    • Anonyymi

      Kaikki pallot ovat litteitä. Tuon tietää jokainen astronomi. Ne täyttyvät vakionopeudella.

      • Anonyymi

        Kyllä. Oli ihan pakko.


    Ketjusta on poistettu 0 sääntöjenvastaista viestiä.

    Luetuimmat keskustelut

    1. Kylypylä mätänee

      Kuka sotki uimaaltaan bakteereilla
      Suomussalmi
      74
      1153
    2. Tässä ovat Elämäni biisi -vieraat lauantai 3.10. - Yksi vieras on todellinen suomalaisten suosikki

      Jos menisit Elämäni biisiin, mikä olisi elämäsi biisi ja miksi? Elämäni biisi tulee suorana lähetyksenä Tampereelta. K
      Viihde ja kulttuuri
      15
      976
    3. En voi kertoa meistä kenellekään

      Minulla on ikävä sinua mies.. Oon yrittänyt taas unohtaa, mutta silti tulet mieleeni lähes päivittäin. Eihän meitä voi o
      Ikävä
      61
      940
    4. Huomenta

      Sinulle! Olen miettinyt sinua paljon yön aikana. 🫂
      Ikävä
      65
      841
    5. Mikä kaivatullesi

      On tärkeintä elämässään?
      Ikävä
      60
      760
    6. 57
      720
    7. Onko mulla vielä mahkuja saada sinut M nainen

      Sano joku prosenttiluku?
      Ikävä
      61
      644
    8. SuMetKu konkursissa

      Asiakastiedon sivulla oli, SuMetKu asetettu konkurssiin. Tulihan se seinä vastaan lopultakin suuruudenhulluudessa.
      Suomussalmi
      24
      630
    9. Kadutko mies sitä miten reagoit?

      ..siihen sotkuun, jonka jälkeen mikään ei ole ollut kuin ennen. 🥺
      Ikävä
      49
      627
    10. Jos mies naisen prinsessakohtelu

      on sinulle liikaa, älä valitse prinsessaa 🦋🧚🏼‍♀️👸🏼
      Ikävä
      133
      606
    11. Mitä ihmettä pitäisi tapahtua

      Että me kohdataan ja saadaan tämä tilanne etenemään?
      Ikävä
      67
      606
    12. Suutuin lähinnä itselleni

      Kun irl juttujen takia näyttää erittäin epätodennäköiseltä, että olisin millään tavoin toivottu henkilö sulle.
      Ikävä
      34
      591
    13. Miksi olet niin hankala?

      Miksi toimit miten toimit?
      Ikävä
      50
      559
    14. Miksi meille jäi

      Niin huonot välit vaikka meistä kumpikaan ei ole tunteilleen mitään voinut. Ehkä se kohtalo on sitä mieltä ettei kuitenk
      Ikävä
      35
      519
    15. Hei. Ilmeisesti tässä saa unohtaa sen

      että meistä joskus jotain tulisi? M
      Ikävä
      29
      515
    16. Ei voi mittään

      Tykkään sinusta, vaikka miten typerän jutun suustasi päästät😅
      Ikävä
      33
      510
    17. Tykkään sinusta

      Vaikka en vastailekaan!
      Ikävä
      18
      494
    18. En usko enää

      rakkauteen.
      Ikävä
      72
      486
    19. Miten voit tykätä

      Jos samaan aikaan haluat pysyä mahdollisimman kaukana?
      Ikävä
      40
      467
    20. Mitä sulle

      Kuuluu?
      Ikävä
      24
      449
    Aihe