Ishockeypuck med vektorfunksjon

Ishockeypuck med vektorfunksjon

En ishockeybane er 60 m60 \mathrm{~m} lang og 30 m30 \mathrm{~m} bred. Vi plasserer et koordinatsystem slik at origo er midt på banen. Se figuren nedenfor.

Ishockeybane

En hockeyspiller sendte av gårde en puck. Vektorfunksjonen r\vec{r} gitt ved

r(t)=[8(ett),  5(ett)]\vec{r}(t) = \left[8(e^{-t}-t),\; 5(e^{-t}-t)\right]

gir puckens posisjon tt sekunder etter at den ble sendt av gårde. Denne vektorfunksjonen gir puckens posisjon helt til den treffer vantet (veggen på banen).

Hvilken fart hadde pucken idet den ble sendt av gårde?

Hvor lang tid gikk det før pucken traff vantet?

En annen hockeyspiller var i posisjonen P(18,11)P(-18, 11) da pucken ble sendt av gårde. Spilleren hadde konstant fart v=[3,7]\vec{v} = [3, -7].

Begrunn at denne spilleren ikke ble truffet av pucken.

Fasit

r(0)=28918,87m/s\underline{\underline{|\vec{r}'(0)| = 2\sqrt{89} \approx 18{,}87 \, \mathrm{m/s}}}

Pucken treffer lang-vanten etter ca. 3,053{,}05 sekunder.

Spilleren ble ikke truffet av pucken — pucken beveger seg langs linjen 5x=8y5x = 8y, og selv om spillerens bane krysser denne linjen, er spilleren og pucken ikke i samme punkt på samme tidspunkt.

LøsningsforslagKI-generert

GeoGebra CAS-utregning

Puckens posisjon er gitt ved r(t)=[8(ett),  5(ett)]\vec{r}(t) = [8(e^{-t} - t),\; 5(e^{-t} - t)]. Farten er lengden av hastighetsvektoren r(t)\vec{r}'(t).

Vi deriverer komponentvis:

r(t)=[8et8,  5et5]=(et+1)[8,  5]\vec{r}'(t) = \left[-8e^{-t} - 8,\; -5e^{-t} - 5\right] = -(e^{-t}+1)\cdot[8,\; 5]

Ved t=0t = 0:

r(0)=(e0+1)[8,  5]=2[8,  5]=[16,  10]\vec{r}'(0) = -(e^{0}+1)\cdot[8,\; 5] = -2\cdot[8,\; 5] = [-16,\; -10]

Farten er:

r(0)=(16)2+(10)2=256+100=356=289|\vec{r}'(0)| = \sqrt{(-16)^2 + (-10)^2} = \sqrt{256 + 100} = \sqrt{356} = 2\sqrt{89}

Pucken hadde fart 28918,87m/s\underline{\underline{2\sqrt{89} \approx 18{,}87 \, \mathrm{m/s}}} idet den ble sendt av gårde.

Banen er 60m60 \, \mathrm{m} lang og 30m30 \, \mathrm{m} bred med origo i midten, så 30x30-30 \leq x \leq 30 og 15y15-15 \leq y \leq 15.

Vi observerer at r(t)=(ett)[8,  5]\vec{r}(t) = (e^{-t} - t) \cdot [8,\; 5]. La u(t)=ettu(t) = e^{-t} - t. Da er x(t)=8u(t)x(t) = 8u(t) og y(t)=5u(t)y(t) = 5u(t).

Siden u(t)=et1<0u'(t) = -e^{-t} - 1 < 0 for alle tt, avtar u(t)u(t) strengt, og dermed avtar både xx og yy fra startverdiene x(0)=8x(0) = 8 og y(0)=5y(0) = 5. Pucken beveger seg mot negative xx- og yy-verdier, så de aktuelle grensene er x=30x = -30 og y=15y = -15.

Vi undersøker hvilken grense som nås først ved å løse to likninger:

  • y=15y = -15: 5(ett)=15    ett=35(e^{-t} - t) = -15 \;\Rightarrow\; e^{-t} - t = -3. Numerisk løsning: t3,05t \approx 3{,}05.
  • x=30x = -30: 8(ett)=30    ett=3,758(e^{-t} - t) = -30 \;\Rightarrow\; e^{-t} - t = -3{,}75. Numerisk løsning: t3,77t \approx 3{,}77.

Siden u(t)u(t) er avtagende, nås u=3u = -3 (tilsvarer y=15y = -15) før u=3,75u = -3{,}75 (tilsvarer x=30x = -30).

Kontroll: ved t3,05t \approx 3{,}05 er x=8(3)=24mx = 8 \cdot (-3) = -24 \, \mathrm{m}, som er innenfor banen (302430-30 \leq -24 \leq 30 ✓).

Pucken treffer lang-vanten (y=15y = -15) etter ca. 3,05sekunder\underline{\underline{3{,}05 \, \mathrm{sekunder}}}.

Puckens posisjon er alltid r(t)=u(t)[8,  5]\vec{r}(t) = u(t) \cdot [8,\; 5] der u(t)=ettu(t) = e^{-t} - t. Det betyr at pucken beveger seg langs den rette linjen gjennom origo i retning [8,  5][8,\; 5], altså langs linjen 5x=8y5x = 8y.

Spillerens posisjon ved tid tt er:

P(t)=(18+3t,  117t)\vec{P}(t) = (-18 + 3t,\; 11 - 7t)

For at spilleren skal treffes av pucken, må P(t)=r(t)\vec{P}(t) = \vec{r}(t) for et tidspunkt t0t \geq 0. Dette gir likningssystemet:

{18+3t=8(ett)117t=5(ett)\begin{cases} -18 + 3t = 8(e^{-t} - t) \\ 11 - 7t = 5(e^{-t} - t) \end{cases}

Fra begge likninger kan vi isolere ette^{-t} - t:

  • Ligning 1: ett=3t188e^{-t} - t = \dfrac{3t - 18}{8}
  • Ligning 2: ett=117t5e^{-t} - t = \dfrac{11 - 7t}{5}

Setter de to uttrykkene like hverandre:

3t188=117t5\frac{3t - 18}{8} = \frac{11 - 7t}{5} 5(3t18)=8(117t)5(3t - 18) = 8(11 - 7t) 15t90=8856t15t - 90 = 88 - 56t 71t=178t=178712,5171t = 178 \quad \Rightarrow \quad t = \frac{178}{71} \approx 2{,}51

Dette er det eneste tidspunktet der spillerens bane og puckens bane er på samme rette linje. Vi sjekker om de er i samme punkt:

  • Spillerens posisjon: (18+32,51,  1172,51)(10,47,  6,55)(-18 + 3 \cdot 2{,}51,\; 11 - 7 \cdot 2{,}51) \approx (-10{,}47,\; -6{,}55)
  • Puckens posisjon: (8(e2,512,51),  5(e2,512,51))(19,40,  12,13)(8(e^{-2{,}51} - 2{,}51),\; 5(e^{-2{,}51} - 2{,}51)) \approx (-19{,}40,\; -12{,}13)

De to posisjonene er ulike — selv om banen til spilleren krysser linjen pucken beveger seg langs, er de ikke i samme punkt på samme tid.

Spilleren ble dermed ikke truffet av pucken.

Sensorveiledning

Rett utregning av enten v(0)\vec{v}(0) eller v(0)|\vec{v}(0)| kan gi full uttelling. Kandidater som bare finner den generelle v(t)\vec{v}(t) kan få 1 poeng.

3 poeng

En god strategi kan gi 1 poeng. For å få full uttelling må kandidaten kommunisere løsningen på en god måte.

3 poeng

En god strategi kan gi 1 poeng. Rett svar uten begrunnelse gir ingen uttelling.