Füllstand eines Behälters

Ähnliche Dokumente
9.3. Rotationsvolumina

Zylinder, Kegel, Kugel, weitere Körper

Aufgabe P2/2007 Die Skizze zeigt den Achsenschnitt eines Kegels. Es gilt: 6,2 48

Die Oberfläche der Verpackung besteht aus sechs Teilen: 2 Trapeze (vorne und hinten), und 4 Rechtecke.

Serie 6. x 2 + y 2, 0 z 4.

ist symmetrisch bezüglich der y-achse, da f( x) = f(x) ist. e x + e x = 2 2 (Substitution: a = e x )

Aufgabe W4b/2007. Aufgabe W2b/2008 8,0 3,5. Ein kegelförmiges Gefäß ist gegeben durch:

Übungen zu Doppel- und Dreifachintegralen Lösungen zu Übung 15

1 Pyramide, Kegel und Kugel

Raumgeometrie - Zylinder, Kegel

Formeln für Formen 4. Flächeninhalt. 301 Berechne die Höhe h von einem Rechteck, einem Parallelogramm und einem Dreieck, die jeweils den Flächeninhalt

Integralrechnung - Rotationskörper

Übungsaufgaben zu Höherer Analysis, WS 2002/03. Aufgaben zu Doppelintegralen.

Übung 11: Lösungen. Technische Universität München SS 2004 Zentrum Mathematik Prof. Dr. K. Buchner

Schritt 1: Pfadregeln anwenden für a) und b)

Zylinderkoordinaten 1 E1. Ma 2 Lubov Vassilevskaya

Analysis II für M, LaG/M, Ph 12. Übungsblatt

Schritt 1: Mögliche Ereignisse festhalten. Schritt 2: Wahrscheinlichkeit berechnen Lösung: Schritt 1: Baumdiagramm erstellen

c) y = ln( 2x + 5) d) y = 2) Verwandeln Sie die gegebene implizite Funktion in die explizite Form y(x):

Musterlösung. für die Klausur MA2_06.1 vom 10. Februar Labor für Mathematik und Statistik. Prof. Norbert Heldermann.

Fachwörterliste Mathematik für Berufsintegrationsklassen

1. Algebra 1.1. Gleichungssysteme Quadratische Gleichungen Bruchgleichungen Quadratische und lineare Funktionen...

K l a u s u r N r. 1 G K M 12

Wurzelfunktionen Aufgaben

Flächeninhalt, Volumen und Integral

Aufgabe 1 Vereinfachen Sie die folgenden Ausdrücke soweit wie möglich. Vorsicht: Einige Terme können nicht weiter vereinfacht werden!

Mathematik LK13 Kursarbeit Musterlösung Aufgabe I:

Lösungsvorschlag zur Übungsklassenarbeit 10/3

uvgeometrie Ein Excel-Add-In von Uli Vollmer post at ulivollmer. de

x(t) := 1 k definierte Funktion. (a) Berechnen Sie ẋ(t) und ẍ(t). (b) Zeigen Sie, daß die Funktion x = x(t) eine Lösung der Differentialgleichung

Die grasende Ziege am Seil

Kreis Kreisabschnitt Kreissegment Kreisbogen

KOMPETENZHEFT ZUR TRIGONOMETRIE, II

Oberfläche von Körpern

KORREKTURVORLAGE 4. MATHEMATIKSCHULARBEIT DER 4B

y=f(x) Tangente bei x 0

Zylinder, Kegel, Kugel, weitere Körper

Erste Schularbeit Mathematik Klasse 7A G am

Abitur 2016 Mathematik Geometrie V

Stereometrie Körper berechnen

Abitur 2013 Mathematik Infinitesimalrechnung II

Mathematisches Denken. Übungsserie 1. γ : [0, 2] IR 2,t r(t) := 2t 1

Lernstraße zum Thema geometrische Körper. Vorbemerkungen. Liebe 10 a, nun sämtliche Arbeitsblätter; aufgrund einer Erkrankung

x 1 Da y nur in der 2.Potenz vorkommt, ist die Kurve achsensymmetrisch zur x-achse.

K A N T O N S S C H U L E I M L E E MATHEMATIK. Grafiktaschenrechner ohne CAS, beliebige Formelsammlung

Analysis 7. f(x) = 4 x (x R)

1. Satz des Pythagoras Ist im rechtwinkligen Dreieck die Hypothenuse (= längste Seite) und und die beiden Katheten, so gilt: bzw. bzw. bzw.

x + y + z = 6, x = 0, z = 0, x + 2y = 4, indem Sie das Volumen als Dreifachintegral schreiben.

Fit in Mathe. Januar Klassenstufe 10 Körper und Figuren mit π (hier wegen π = 3, Taschenrechner erlaubt)

Serie 11. Analysis D-BAUG Dr. Cornelia Busch FS Überprüfen Sie die Gültigkeit des Satzes von Gauss

8 Kurven in der Ebene

ÜTA: B - Schlauch für Cluster 1 (tw.) und 3

Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome. Volumenbestimmung in Tanks aufgrund statischer Druckmessung

Mathematischer Vorkurs Lösungen zum Übungsblatt 3

Die Turbo-Badewanne. Ein Beitrag von Ingmar Rubin. 4. September 2000

Serie 6: Mehrfachintegrale und ihre Hauptsubstitutionen. D-ERDW, D-HEST, D-USYS Mathematik II FS 15 Dr. Ana Cannas. Bemerkungen:

Funktionen & Etwas Geometrie

1 Lösungsskizzen zu den Übungsaufgaben

K A N T O N S S C H U L E I M L E E MATHEMATIK. Grafiktaschenrechner ohne CAS, beliebige Formelsammlung

Wirtschaftswissenschaftliche Bücherei für Schule und Praxis Begründet von Handelsschul-Direktor Dipl.-Hdl. Friedrich Hutkap =

Körperberechnung. Würfel - Einheitswürfel. Pyramide. - Oberfläche - Volumen. - Oberfläche. - Volumen. Kegel. Quader. - Oberfläche - Volumen

Themenerläuterung. Die wichtigsten benötigten Formeln

INTEGRALRECHNUNG Teil 2 (Praxis)

D-MAVT/D-MATL FS 2017 Dr. Andreas Steiger Analysis IILösung - Serie18

Analysis 2 - Übung 1

Grundwissen Jahrgangsstufe 9. Lösungen. Berechne ohne Taschenrechner: a) 2, a) = -1, b) = = = 4000

Abitur 2010 Mathematik GK Geometrie VI

Kurve der Maria Agnesi

Lösung zur Klausur zur Analysis II

Tag der Mathematik 2006

Integralrechnung. Alexander F,Christoph K, Jasmin L, Dominik M, Monica P & Sarah S. 20. April 2016

Mathematik II für Studierende der Informatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2018

Mathematik II Lösung 9. Lösung zu Serie 9

Mehrdimensionale Integralrechnung 1

D-ERDW, D-HEST, D-USYS Mathematik II FS 15 Dr. Ana Cannas. Serie 8: Satz von Green und Oberflächenintegrale

Grundlagen der Physik 1 Lösung zu Übungsblatt 2

1 Integrale von Funktionen in mehreren Variablen

Merkhilfe Grundwissen

K A N T O N S S C H U L E I M L E E MATHEMATIK. Grafiktaschenrechner ohne CAS, beliebige Formelsammlung

Kreis, Zylinder, Kegel, Kugel

Analysis 2. f(x) = x2 6x + 8 x 2 6x + 5 a) Ermitteln Sie den Definitionsbereich der Funktion f. Weisen Sie nach, dass gilt:

4. Gruppenübung zur Vorlesung. Höhere Mathematik 3. Wintersemester 2015/ , E 2 := (x, y, z) R 3 4z M := Z E 1 E 2.

Integralrechnung für GLET

A.22 Schnittwinkel zwischen Funktionen

Matur-/Abituraufgaben Analysis

1 = z = y + e. Nabla ist ein Vektor, der als Komponenten keine Zahlen sondern Differentiationsbefehle

Merkhilfe Grundwissen

ETH Zürich Musterlösungen Basisprüfung Sommer 2014 D-MAVT & D-MATL Analysis I & II Prof. Dr. Urs Lang

schiefer Zylinder Ellipsen

D-MAVT/D-MATL FS 2018 Dr. Andreas Steiger Analysis IILösung - Serie1

Übungen zur Ingenieur-Mathematik III WS 2011/12 Blatt N dl. y 3

Newton-Beschreibung: Bewegung eines Massenpunkts auf einer Oberfläche

5 Sphärische Trigonometrie

Rotationskörper. Ronny Harbich. 1. August 2003 (geändert 24. Oktober 2007)

Das Prisma ==================================================================

Modul Mathematik I Selbsteinschätzungstest und Anmeldungen im ILIAS-Portal

Themenerläuterung. Die wichtigsten benötigten Formeln

Transkript:

Füllstand eines Behälters Der Behälter ist eines der häufigsten Apparate in der chemischen Industrie zur Aufbewahrung von Flüssigkeiten. Dabei ist die Kenntnis das Gesamtvolumens als auch des Füllvolumens von entscheidender Bedeutung. Wichtig ist dabei der Zusammenhang zwischen Füllvolumen und Füllhöhe. Die Füllhöhe lässt sich leicht messen, während sich das Füllvolumen in der Regel nicht messen lässt. Wie betrachten Kugelbehälter und Behälter mit zylindrischem Teil und elliptischen Böden. Volumen einer Kugel: 4 3 Ableitung des Füllvolumens eines Kugelbehälters mit der Füllhöhe h. Abb. 1 Skizze der Kugel Darin ist r Kugelradius, h die Füllhöhe, x der Radius des Flüssigkeitsspiegels, y r h. Die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels mit Füllstand h: Für eine Schichtdicke dy ergibt sich dann das Schichtvolumen dv Der Zusammenhang zwischen y und x lautet + Nach x 2 aufgelöst und eingesetzt ergibt: Somit erhalten wir das Integral 1

Ergebnis der Integration: h 1 3 h Setzen wir zur Probe h r, erhalten wir das halbe Kugelvolumen: 2 3 Volumen des vertikalen d.h. senkrechten Zylinders: h mit h Füllhöhe, r Zylinderradius 2

Volumen des horizontalen d.h. waagerechten Zylinders: Methode 1: Für den bis zur Höhe h gefüllten Zylinder der Länge l gilt Abb. 2 Skizze des teilweise gefüllten Zylinders Darin h die Füllhöhe, r der Zylinderradius, x die halbe Breite des Flüssigspiegels. Es gilt r y + h. Für die Fläche des Flüssigspiegels gilt 2 Mit l der Zylinderlänge. Für eine Schichtdicke dy gilt das Volumen dy Für die Beziehung zwischen x und y gilt Nach x aufgelöst und eingesetzt erhalten wir 2 + 2 mit y r h erhalten wir das Integral 2 Ergebnis der Integration in den Grenzen y r und y r - h: +! " 3

Nach Einsetzen der oberen Grenze y r und der unteren Grenze y r - h lautet das Ergebnis: # 2 h h h! h $ Setzen wir zur Probe h r, erhalten wir Dies ist das halbe Zylindervolumen. 2 4

Methode 2: Mit der Gleichung Flüssigvolumen V Ausschnittvolumen V A Dreieckvolumen V D erhalten wir das Füllvolumen. Gemäß Abb. 2 ist r der Radius des Zylinders, h die Füllhöhe, x die halbe Breite des Flüssigspiegels, y r h. Alpha ist der Winkel des Flüssigspiegels mit dem Zylindermittelpunkt. Das Ausschnittvolumen V A berechnet sich als Teil des Kreises: % & 360 Darin ist α der Winkel des Kreisausschnitts in Winkelmaß. Im Bogenmaß gilt % &) 2 Das Bogenmaß 2π entspricht 360 Winkelmaß. Für die weiteren Berechnungen gilt das Bogenmaß. Wir wollen den Winkel durch y ersetzen. Für den Winkel gilt: Daraus erhalten wir: Damit ergibt sich das Ausschnittvolumen V A : Für das Dreiecksvolumen V D gilt cos & 2 " & 2 arccos " % 0 " 1 yx ist die doppelte Fläche eines der rechtwinkligen Dreiecke. Darin ist x die halbe Breite des Flüssigstandes h. Es gilt damit erhalten wir 1 Damit erhalten wir insgesamt das Füllvolumen V 0 " Mit 5

h erhalten wir 0 # h $ h h Mit h r, d.h. y 0 erhalten wir wie oben das halbe Zylindervolumen. 6

Methode3: Nach Bartsch, Taschenbuch mathematischer Formeln ergibt sich das Zylindervolumen mit dem Winkel α im Bogenmaß: &!& 2 Der Winkel α lässt sich einfach gemäß der Beziehung & 2arccos # h $ berechnen. Dies ist die einfachste bekannte Berechnung des vertikalen Zylindervolumens. Beispiel: Die Zylinderlänge sei 1, der Radius r sei ebenfalls 1. Der Winkel α sei 30, Bogenmaß 0,5236, Bogenmaß von 15 0,2618. cos 15 bzw. cos 0,2618 0,96593, d.h. y 0,9659 und arccos 0,9659 ist ebenfalls 0,2618. Damit erhalten wir V 0.0117. Als Zwischenergebnis erhalten wir V A 0,2618, V D 0,2501 und h 0,0341. 7

Volumen des vertikalen elliptischen Bodens: Abb. 3 Skizze des elliptischen Bodens Darin sind a und b die Achsen der Ellipse, h die Füllhöhe, y b h, x ist die Länge des Flüssigspiegels auf der a-achse. Die untere Hälfte der Ellipse entspricht dem unteren, die obere Hälfte dem oberen Boden. Beim Befüllen des vertikalen Behälters läuft also zunächst der untere Boden voll, dann der Zylinder und zum Schluss der obere Boden. Die Gleichung der Ellipse lautet: Daraus erhalten wir und + 2 1 2 2 2 Das Volumen des elliptischen Bodens erhalten wir dadurch, indem wir die Ellipse um die y- Achse rotieren lassen. Würden wir die rotierende Ellipse von oben betrachten, würden wir einen Kreis sehen. Der Zylinder hat den horizontalen Radius a. Für die Füllhöhe h gilt, solange h < b ist. Für die Fläche an der Stelle h gilt Für das Schichtvolumen gilt d.h. h 2 Die Ellipsengleichung nach x aufgelöst ergibt das Integral: 8

3 2 2 4 aufgelöst Die Lösung dieses Integrals ergibt: Probe: 2 3 2 4 3 4 5 2 32 2 6 Setzen wir y 0, erhalten wir das halbe Volumen der Rotationsellipse. Für das ganze Volumen ergibt sich daraus: 4 3 2 Zum Vergleich: Für das Kugelvolumen gilt die Formel Beispiel: 4 3 Radius des Zylinders R 1, d.h. a 1, b 0,3. Der Boden werde auf h 0,1 gefüllt. Damit wird y b h 0,2. Ergebnis: V h 0,07956 Anm.: für b - y können wir direkt h einsetzen. 9

Volumen des horizontalen elliptischen Bodens: Abb. Skizze des elliptischen Bodens, Seitenansicht, Draufsicht Die linke Hälfte der Ellipse stellt den linken Boden des horizontalen Behälters, die rechte Hälfte der Ellipse den rechten Boden dar. a und b sind die Ellipsenachsen, z und y die Koordinaten des Flüssigspiegels bei h der Füllhöhe. Wir denken uns die Ellipse um die Zylinderachse a rotiert. In der Draufsicht auf die a-achse ergibt sich daher ein Kreis mit dem Radius r b des Behälterzylinders. Für die Fläche des Flüssigspiegels in der Ellipse bei h gilt Das Volumen ist Eingesetzt erhalten wir 7 7 Da wir über y integrieren, müssen wir x und z durch y ersetzen. Für die Ellipse gilt mit b r Daraus erhalten wir Für den Kreis gilt Damit ergibt sich das Volumen 7 + 1 7 10

Daraus erhalten wir Das Ergebnis der Integration lautet 8 1 9 :h 1 3 h ; Wenn wir h r setzen erhalten wir das halbe Volumen der Rotationsellipse 2 3 Zum Vergleich: Für das Kugelvolumen gilt die Formel 4 3 Zur Berechnung eines Behältervolumens müssen wir die Füllvolumen der Böden und des Zylinders separat berechnen und addieren. Beim vertikalen Behälter erfolgt die Berechnung in drei Teilen entsprechend des Befüllens. Der erste Teil ist das Befüllen des unteren Bodens bis dieser voll ist, der zweite Teil der des Befüllens des vertikalen Zylinders bis dieser voll ist, der dritte Teil das Befüllen des oberen Bodens bis auch dieser voll ist. Anmerkung. Geplant sind numerische Berechnungen in Excel. Darin enthalten sind eine numerische Berechnung der Volumina durch Integration nach Simpson sowie der Nachweis, dass alle Gleichungen übereinstimmen. Solange dieser Nachweis nicht erbracht ist, kann für die Richtigkeit der Gleichungen keine Garantie übernommen werden. Für kritische Hinweise bin ich dankbar. Version 1.0, Januar 2014 Autor: W. Schmidt 11