Řetězovka (catenary)

Podobné dokumenty
Řetězovka (catenary)

2 Odvození pomocí rovnováhy sil

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Extrémy funkce dvou proměnných

Parametrické rovnice křivky

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

2 Fyzikální aplikace. Předpokládejme, že f (x 0 ) existuje. Je-li f (x 0 ) vlastní, pak rovnice tečny ke grafu funkce f v bodě [x 0, f(x 0 )] je

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

Obyčejné diferenciální rovnice

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Zdeněk Halas. Aplikace matem. pro učitele

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Přijímací zkoušky z matematiky pro akademický rok 2017/18 NMgr. studium Učitelství matematiky ZŠ, SŠ

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů. = 30 s.

c ÚM FSI VUT v Brně 20. srpna 2007

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Diferenciální rovnice 3

Diferenciální rovnice

Samonosné optické kabely teorie a praxe

Vícerozměrná rozdělení

Laplaceova transformace

Matematika 1 pro PEF PaE

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Základy matematiky pro FEK

16. Matematický popis napjatosti

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Matematika I. dvouletý volitelný předmět

+ 2y y = nf ; x 0. závisí pouze na vzdálenosti bodu (x, y) od počátku, vyhovuje rovnici. y F x x F y = 0. x y. x x + y F. y = F

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Diferenciální geometrie

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Derivace a monotónnost funkce

Dynamika soustav hmotných bodů

řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky

Aplikovaná numerická matematika

12. Křivkové integrály

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

Kapitola 7: Integrál. 1/17

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

VÝUKOVÝ MATERIÁL VÝUKOVÝ MATERIÁL VÝUKOVÝ MATERIÁL

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

Diferenciální rovnice a dynamické modely

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Diferenciální rovnice 1

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

1. Obyčejné diferenciální rovnice

9.4. Rovnice se speciální pravou stranou

Zkouška ze Aplikované matematiky pro Arboristy (AMPA), LDF, minut. Součet Koeficient Body. 4. [10 bodů] Integrální počet. 5.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

8.1. Separovatelné rovnice

1 Polynomiální interpolace

Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Požadavky ke zkoušce. Ukázková písemka

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Kapitola 4. Tato kapitole se zabývá analýzou vnitřních sil na rovinných nosnících. Nejprve je provedena. Každý prut v rovině má 3 volnosti (kap.1).

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Kinematika. Tabulka 1: Derivace a integrály elementárních funkcí. Funkce Derivace Integrál konst 0 konst x x n n x n 1 x n 1.

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

7. Gravitační pole a pohyb těles v něm

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Maturitní témata z matematiky

Studijní text pro obor G+K Katedra matematiky Fakulta stavební ROVNICE. Doc. RNDr. Milada Kočandrlová, CSc.

Základy vyšší matematiky arboristika Zadání písemek ze školního roku

diferenciální rovnice verze 1.1

Transkript:

Řetězovka (catenary) Robert Mařík jaro 2014 Tento text je tištěnou verzí prezentací dostupných z http://user.mendelu.cz/marik/am. Řetězovka - křivka lan a řetězů prověšených vlastní vahou Budeme se zajímat o to, jaký tvar vlivem gravitace zaujmou volně visící ohebná lana a řetězy. Tento tvar vidíme často kolem sebe, například tento tvar zaujmou elektrické dráty (zejména když jsou sloupy daleko od sebe a na drátech je námraza). Stejný tvar zaujmou mosty, které mají hmotnost rozloženu podél délky. Lano na němž visí kotě zaujme tvar řetězovky až se kotě pustí. Teprve potom bude splněna podmínka, že lano nese pouze svou vlastní hmotnost. Zavěšený most (tohle není řetězovka) Jednodušším úkolem je zkoumat nejprve most zavěšený na laně. Nejedná se o řetězovku, protože lano nese další zátěž. Hmotnost nosného lana a svislých lan je zanedbatelná vzhledem k hmotnosti vozovky. Délka svislých lan, na kterých je vozovka zavěšena, je zvolena tak, aby namáhání bylo rovnoměrně rozloženo. Je potřeba zvolit délku svislých nosných lan aby hlavní nosné lano mělo (při rovné vozovce) tvar, který je pro ně přirozený. Potom nebude vozovka zbytečně namáhána ve vertikálním směru. Proč je dobré znát řešení problému zavěšeného mostu? Problém špatně navrženého mostu v malém měřítku a malém rozsahu škod: Na napnutém laně visí težký gumový pás sloužící pro děti jako skluzavka nebo opora při šplhání nahoru.

Obrázek 1: Obrázek 2: 2

Obrázek 3: Obrázek 4: Obrázek 5: 3

Obrázek 6: Obrázek 7: Obrázek 8: 4

Obrázek 9: Obrázek 10: 5

Obrázek 11: Obrázek 12: 6

Obrázek 13: 7

Obrázek 14: 8

Obra zek 15: 9

Obrázek 16: 10

Obrázek 17: Nosné lano má tendenci se prohnout, dírky na uchycení tuto tendenci nerespektují a jsou vyvrtané všechny v jedné řadě. Krajní dírky jsou tedy nejvíc namáhané a v tomto místě dojde k poruše materiálu. Podél jaké křivky se měly udělat otvory pro uchycení? Zjednodušená formulace problému zavěšeného mostu Jaký tvar zaujme lano zanedbatelné hmotnosti, které nese zátěž rovnoměrně rozloženou ve vodorovném směru? Fyzikální podstata: Osu x voĺıme vodorovně, počátek je volen v nejnižším bodě lana. Na část lana mezi tímto nejnižším bodem a obecným bodem x působí tyto síly: Tahová síla T v bodě x = 0. Tato síla má směr tečný k lanu, tj. vodorovný. Tahová síla F v obecném bodě x. Tato síla má také tečný směr k lanu. Směrnice přímky, ve které síla působí, je tedy rovna derivaci funkce, kterou hledáme. Tíhová síla, způsobená gravitací. Tato síla je součinem hmotnosti m a tíhového zrychlení g. Podle předpokladu je hmotnost rozložena konstantně. Definujeme-li tedy lineární hustotu τ mostu jako hmotnost jedné délkové jednotky, je hmotnost mostu délky x dána vztahem m = τx. Uvažovaný úsek je v klidu, celková síla, která na něj působí je tedy nulová. To znamená, že vektorový součet všech tří sil je nulový vektor a po přesunutí tedy vektory tvoří strany pravoúhlého trojúhelníka. Z tohoto trojúhelníka plyne tan α = G = τxg τg = µx, kde µ = je konstanta. T T T 11

Obrázek 18: Obrázek 19: 12

Obrázek 20: Obrázek 21: 13

Matematické formulace: Najděte rovnici křivky splňující rovnici y = µx. Řešení: Známe-li derivaci funkce, původní funkci najdeme integrováním. y(x) = y (x)dx = µxdx = µ 1 2 x2 + C. Nosné lano musí mít parabolický tvar. Konečně k řetězovce (sestavení diferenciální rovnice) Uvažujme stejnou situaci jako na předhozím slidu, ale hmota je rozložena rovnoměrně podél délky lana. Jediné, co se na předchozí úloze mění, je vztah pro tíhu. Hmotnost uvažovaného úseku lana je součinem lineární hustoty τ a délky tohoto úseku, dané vztahem x 0 1 + [y (t)] 2 dt. Platí tedy x y = α 1 + [y (t)] 2 dt. Matematická formulace: Nalezněte funkci splňující Řešení: Derivováním dostáváme y = α 0 x 0 1 + [y (t)] 2 dt. y = α 1 + [y (x)] 2. Vskutku, je-li funkce F(x) primitivní funkcí k funkci 1 + y 2 (x), je podle Newtonovy Leibnizovy věty integrál napravo roven rozdílu F(x) F(0). Derivováním podle x obdržíme F (x), což není nic jiného než 1 + y 2 (x), protože F je podle předpokladu primitivní funkcí. Úkolem je tedy najít funkci, která splňuje rovnici y = α 1 + y 2 Substituce z(x) = y (x), z (x) = y (x) převádí tuto rovnici na rovnici z = α 1 + z 2. Toto je rovnice, kde neznámou je funkce z(x) a v rovnici vystupuje i derivace z (x). Takové rovnice nazýváme diferenciální rovnice Rozřešení diferenciální rovnice Separací proměnných obdržíme a po integraci dz 1 + z 2 = αdx ln (z + ) 1 + z 2 = αx + C. 14

Obrázek 22: Odsud z + 1 + z 2 = e αx+c 1 + z2 = e αx+c z 1 + z 2 = e 2(αx+C) 2ze αx+c + z 2 2ze αx+c = e 2(αx+C) 1 z = 1 [ e αx+c e (αx+c)] 2 Platí tedy y = 1 2 [ e αx+c e (αx+c)] a integrací obdržíme Lano zaujme tvar hyperbolického kosinu. y = 1 [ e αx+c + e (αx+c)] = 1 cosh(αx + C) 2α α Další řetězovky okolo nás Pavučina 15

Gateway Arch St. Louis - 192 metrů, odkaz 16

Nádraží Keletti v Budapešti Pro kolo s hranatými koly jsou řetězovky ideálním povrchem 17

Video na Youtube 18