Integraalrekening > Totaalbeeld
123456Totaalbeeld

Toepassen

Opgave 10Arbeid
Arbeid

Onder arbeid wordt in de natuurkunde verstaan: het product van de kracht die werkt in de bewegingsrichting van een bewegend voorwerp en de lengte van de afgelegde weg. Als die kracht voortdurend verandert, bereken je de arbeid met behulp van een integraal.
Neem bijvoorbeeld een balletje aan een elastiek. Als je het wegschiet, zal de spankracht van het elastiek afhangen van de afgelegde weg x. In dat geval is de kracht die op het balletje wordt uitgeoefend een functie F ( x ) . De arbeid W bereken je dan door de arbeid op deelintervallen van de afgelegde weg op te tellen:

W = k = 1 n F ( x k ) Δ x

Je ziet dat je ook hier met Riemannsommen kunt werken.
Als het aantal deelintervallen oneindig groot wordt (en dus x 0 ) wordt de arbeid een integraal:

W = a b F ( x ) d x

Hang je bijvoorbeeld een gewicht aan een veer, dan werkt op dat gewicht een veerkracht die volgens de wet van Hooke recht evenredig is met de uitwijking x uit de ruststand: F ( x ) = C x .
Als u de uiteindelijke afstand is die het gewicht heeft afgelegd dan is de door de veerkracht verrichte arbeid:

W = 0 u F ( x ) d x = 0 u ( C x ) d x = 0 u ( C x ) d x = 1 2 C u 2 .

Aan een veer hangt men een massa van 1 kg. Na enige tijd hangt de veer weer stil. Hij is dan 10 cm uitgetrokken. In de onderste stand werken er twee krachten op de massa: de zwaartekracht en de veerkracht. De zwaartekracht is bij benadering gelijk aan m g . De veerkracht is recht evenredig met de uitwijking.

a

Bereken de veerconstante C. Neem g = 10 m/s2.

Als je de veer verder naar beneden uitrekt, dan moet je een extra kracht uitoefenen.

b

Hoe groot is die kracht als de veer 20 cm uitgetrokken is?

c

Hoeveel arbeid verricht je als je de massa 30 cm vanuit de evenwichtsstand naar beneden trekt?

Opgave 11Zwaartepunt
Zwaartepunt

Het zwaartepunt van een object is het punt ten opzichte waarvan de massa van dat object in evenwicht is. Het object gedraagt zich alsof alle massa zich als één gewicht in het zwaartepunt bevindt.

Stel dat je het zwaartepunt van het gekleurde vlakdeel hiernaast wilt berekenen. Dit zwaartepunt noem je Z ( x Z , y Z ) . Je gaat er van uit dat de massa van het vlakdeel homogeen is verdeeld, dus recht evenredig is met de oppervlakte ervan. Het gewicht is daarom 4 8 c f ( x ) d x .

Kijk eerst in de x-richting. Je kunt dan het vlakdeel opdelen in allemaal kleine massa's. Bij elke massa hoort in de x-richting een moment ten opzicht van (bijvoorbeeld) de oorsprong O van het assenstelsel van x i G i (moment is gewicht maal arm).
Tel je al die momenten (in de x-richting) op dan krijg je 4 8 x c f ( x ) d x .
Dit is gelijk aan het moment van het totale gewicht in de zwaartepunt, dus: x Z 4 8 c f ( x ) d x = 4 8 x c f ( x ) d x .
Door beide integralen te berekenen, bereken je de x-waarde van het snijpunt. In de y-richting kun je een vergelijkbare redenering houden. Die wordt wel iets ingewikkelder omdat je met de inverse van de functie moet werken...

Ga er van uit dat het vlakdeel wordt begrensd door de x-as en een parabool met top ( 6 , 4 ) die door ( 4 , 0 ) en ( 8 , 0 ) gaat.

a

Voer de berekening die hierboven wordt beschreven ook daadwerkelijk uit.

b

Het antwoord van a mag je niet verrassen, hier was zo'n moeilijke berekening overbodig. Licht dat toe.

Het berekenen van de y-waarde van het zwaartepunt gaat op een vergelijkbare manier. Maar nu heb je de functies x = 6 ± 4 y nodig. De formule voor de berekening van het zwaartepunt wordt nu

y Z 0 4 c 2 4 y d y = 0 4 y c 2 4 y d y

c

Licht deze formule toe.

d

Bereken met de grafische rekenmachine de y-waarde van het zwaartepunt van het gegeven vlakdeel.

e

Bereken de coördinaten van het zwaartepunt van het gebied G dat wordt ingesloten door de parabool y = 4 x 2 , de parabool y = 3 x 2 en de x-as.

Een geodriehoek is een gelijkbenige rechthoekige driehoek. Zo'n driehoek kun je zo in het assenstelsel leggen, dat A B C met A ( - a , 0 ) , B ( a , 0 ) en C ( 0 , a ) ontstaat.

f

Laat zien dat A B C inderdaad gelijkbenig is. Bewijs met behulp van integreren dat het zwaartepunt Z ( 0 , 1 3 a ) is.

Opgave 12Benzineverbruik
Benzineverbruik

Een auto die met een snelheid van 20 m/s rijdt, trekt 5 seconden op met een versnelling van 2 m/s2. Na die 5 seconden is de snelheid van de auto 30 m/s.

a

Stel een formule op waarmee je de snelheid tijdens die 5 seconden kunt berekenen.

b

Hoeveel meter legt de auto in die tijd af?

c

Ga na dat de auto in 1 uur 5,75 liter benzine verbruikt als de snelheid tijdens dat uur 20 m/s is.

d

Laat zien dat het verbruik in de tijdsperiode [ t , t + t ] ongeveer gelijk is aan: ( 1,3 10 - 7 ( 20 + 2 t ) 2 3,6 10 - 6 ( 20 + 2 t ) + 10 - 4 ( 20 + 2 t ) ) ( 20 + 2 t ) t .

e

Bereken met een integraal het benzineverbruik in die 5 seconden. Gebruik daarbij de grafische rekenmachine.

verder | terug