Muffinsform og differensiallikning

Del 2, alle hjelpemidler

Muffinsform og differensiallikning

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Når en muffinsform faller, vil farten y (i meter per sekund) til muffinsformen x sekunder etter at den ble sluppet, tilfredsstille differensiallikningen

y′=9,81(1−y2k2),y(0)=0

Kort tid etter at muffinsformen ble sluppet, vil den få tilnærmet konstant fart. Denne farten kalles muffinsformens terminalfart va.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Begrunn at k2=va2.

For en type muffinsformer vil va=1,8 m/s.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Bruk CAS til å vise at farten y for denne typen muffinsformer er gitt ved

y(x)=95⋅(1−e−10,9x1+e−10,9x)

Strekningen s muffinsformen har beveget seg i løpet av de t første sekundene etter at den er sluppet, er gitt ved

s(t)=∫0ty(x)dx
Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd

Hvor lang tid vil det gå fra du slipper en muffinsform av denne typen, til den har falt 12 meter?

Når du slipper en annen type muffinsform, tar det 4,7 sekunder fra den slippes, til den har falt 12 meter.

Hjelpemiddelkrav: Oppsett for hånd

Bestem terminalfarten til denne typen muffinsform.

Fasit

k2=va2

Se CAS-verifisering under.

t≈6,79s

va≈2,66m/s

LøsningsforslagKI-generert

Rett etter at muffinsformen slippes, øker farten y. Etter kort tid blir farten tilnærmet konstant lik terminalfarten va. Når farten er konstant, endrer den seg ikke lenger, altså er den momentane endringen y′=0.

Vi setter y′=0 og y=va inn i differensiallikningen:

0=9,81(1−va2k2)

Siden 9,81≠0, må

1−va2k2=0⇒va2k2=1⇒k2=va2

k2=va2

Differensiallikningen

y′=9,81(1−y2k2),y(0)=0

er separabel. Med k=va=1,8 gir separasjon og integrasjon løsningen

y(x)=1,8⋅tanh⁡(9,811,8x)=1,8⋅tanh⁡(5,45x)

Vi bruker CAS til å sjekke at g(x)=1,8tanh⁡(5,45x) tilfredsstiller differensiallikningen: vi legger inn differansen mellom venstre og høyre side av likningen og forenkler.

CAS-verifisering av differensiallikningen

CAS gir 0 i linje 2, altså er

g′(x)−9,81(1−g(x)21,82)=0

for alle x, som viser at g(x)=1,8tanh⁡(5,45x) løser differensiallikningen med va=1,8.

Videre bruker vi identiteten tanh⁡(u)=1−e−2u1+e−2u med u=5,45x, og siden 2⋅5,45=10,9, får vi

y(x)=1,8⋅1−e−10,9x1+e−10,9x=95⋅1−e−10,9x1+e−10,9x

som er akkurat uttrykket vi skulle vise.

Strekningen er gitt ved

s(t)=∫0ty(x)dx=∫0t1,8tanh⁡(5,45x)dx

Vi bruker CAS til å regne ut integralet og løse s(t)=12 for t.

CAS-utregning av s(t) og løsning av s(t)=12

Fra linje 3 i CAS-utklippet finner vi nullpunktet til s(t)−12 i intervallet ⟨5,8⟩:

t≈6,79

t≈6,79s

Det tar altså omtrent 6,79 sekunder fra muffinsformen slippes til den har falt 12m.

For en generell terminalfart v er farten y(x)=vtanh⁡(9,81vx), og strekningen etter t sekunder er

S(t,v)=∫0tvtanh⁡(9,81vx)dx

Vi vet at det tar 4,7 sekunder å falle 12m, altså S(4,7,v)=12. Fra linje 5–6 i CAS-utklippet over (r2-h19-2-4cd.png) er S(t,v) og Sv(v):=S(4,7,v) satt opp, og linje 7 viser at

Sv(2,66)≈12,002≈12

Dette bekrefter at v≈2,66 er (tilnærmet) løsningen av Sv(v)=12.

va≈2,66m/s

Denne typen muffinsform har altså en høyere terminalfart enn den første typen (2,66m/s mot 1,8m/s), og faller derfor raskere.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i matematikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt