Autor Tema: Volumen entre un ciclindro oblicuo y un plano vertical Y=0

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23 Agosto, 2024, 01:54 pm
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Raulone

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Buenas!

Trabajo en un proyecto de arqueología y necesito encontrar el Volumen resultante al cortar un cilindro oblicuo por un plano vertical. En este caso sería el plano y=0

El cilindro tiene base elíptica conociendo los semiejes a y b. El plano corta exactamente en la mitad del semieje a Al cortarlo se forma una cuerda c en la base elíptica que también conocemos.

La altura inclinada h también es conocida.  Creo que es posible hallar el Volumen resultante con una integral doble pero mis conocimientos acaban aquí.

Como curiosidad la cuerda\(  c=b\sqrt[2]{3} \)  y llamaremos d a la mitad del semieje a,  \( d=a/2 \).

También sabemos que el Área del segmento circular es \( Area = ab [arccos{1/2} -\sqrt{3}/4] \)

¿Podemos conocer el Volumen resultante en función de los valores c, d y h

Adjunto imagen.  Gracias por adelantado


24 Agosto, 2024, 05:44 am
Respuesta #1

delmar

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Hola Raulone

Bienvenido al foro

Primeramente hay que hallar ecuación del cilindro oblícuo se tiene su directriz la elipse ejes a y b su generatriz forma un ángulo cuyo coseno es \( \displaystyle\frac{b}{a} \) con el plano horizontal , con ello hallar ecuación del cilindro y en efecto integrales dobles.


Saludos

24 Agosto, 2024, 10:34 pm
Respuesta #2

Raulone

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Muchas gracias por la respuesta @delmar.

En ese caso lo mejor es definir la elipse que es nuestra Directriz en el Eje de Coordenadas con la ecuación:  \( x^2/b^2 + y^2/a^2 = 1 \)  y que el plano vertical pase por la mitad del semieje a

En nuestro caso a=6 b=2, por lo que el plano y=3.  Es decir la ecuación de la elipse desarrollando (\( a=6 \) y \( b=2 \)) quedaría:   ]\( 9x^2+y^2=36 \);  \( z=0 \);   y el plano vertical sería \( y=3 \)

Para hallar la generatriz he usado el vector \( v=(0,-3,1) \)  y el punto \( P'(x', y', 0)  \)  Saliendo en sistema de ecuaciones   \( x=x' \) y  \( y'= y+3z \) que al sustituir nos da la ecuación final:

\( 9x^2+9z^2+y^2+6zy=36 \) 

Ahora tengo la duda de como usar la integral Doble  porque tenemos 3 variables  \( x,z,y \) donde

\( x \) varía entre \( [-b\sqrt{3}/2 , +b\sqrt{3}/2 ] \) que sería la cuerda \( c \) de mi primer mensaje
\( y \) varía entre el semieje a y la mitad del mismo es decir entre \( [3, 6] \) que sería la d del primer mensaje porque ahora el plano de corte es \( y=3 \)
\( z \) varía entre cero y la altura inclinada \( h \) que en este caso es 1, luego entre \( [0,1]  \)

¿Podéis decirme como haríamos la integral doble con estas \( 3 \) variables o usaríamos una triple?  Gracias de nuevo


25 Agosto, 2024, 01:17 am
Respuesta #3

Raulone

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Adjunto foto del cilindro en geogebra para calcular ese Volumen del trocito del cilindro y el plano y=3



La generatriz es: \( 9x^2+9z^2+y^2+6zy=36  \)

Saludos

Mensaje de la moderación: se ha insertado la imagen adjunta en el texto. Aquí tienes un tutorial sobre cómo se hace.

25 Agosto, 2024, 03:28 am
Respuesta #4

delmar

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Hola

Veo que se ha considerado al eje X, como la vertical que pasa por el centro de la elipse, positivo hacia arriba y el eje Y la horizontal, positivo hacia la derecha; no he hecho las cuentas pero la ecuación a la que se ha llegado no facilita el despeje ni la integración.

Propongo eje X, horizontal, positivo hacia la derecha , eje Y vertical, positivo hacia arriba, origen de coordenadas centro de la elipse, en esas condiciones la ecuación de la elipse es :

\( \displaystyle\frac{x^2}{a^2}+\displaystyle\frac{y^2}{b^2}=1 \)

El plano tendrá como ecuación \( x=a/2 \)

El volumen a calcular es simétrico respecto al plano coordenado XZ, en consecuencia basta hallar el volumen cuya proyección esta en el primer cuadrante y multiplicarlo por 2

La región de integración se puede definir  por \( R=\left\{{(x,y) \ / \ 0 \leq{y}\leq{\displaystyle\frac{b\sqrt[ ]{3}}{2}\wedge a/2 \leq{x}\leq{\sqrt[ ]{1-\displaystyle\frac{y^2}{b^2}}}} }\right\} \) observa que \( \frac{b\sqrt[ ]{3}}{2}=y(a/2) \)

Ahora la idea es determinar el valor de z del punto del cilindro cuya proyección es un punto \( (x,y,0)\in{R} \) este punto se corresponde con un punto de la elipse \( (x_0,y_0,0)\Rightarrow{x_0=a\sqrt[ ]{1-\displaystyle\frac{y_0^2}{b^2}}} \) donde \( y=y_0 \) considerando la generatriz que pasa por \( (x_0,y_0,0) \) se tiene la relación \( \displaystyle\frac{z}{x_0-x}=Tg \alpha \) donde \( \alpha=arcsen \displaystyle\frac{b}{a} \) en mi aporte anterior tuve un error, puse arco coseno

Operando se llega a : \( z=(x_0-x) \ Tg \alpha\Rightarrow{z=(a\sqrt[ ]{(1-\displaystyle\frac{y_0^2}{b^2}}-x) \ Tg \alpha} \)

Pero \( y=y_0 \)

\( z=(a\sqrt[ ]{(1-\displaystyle\frac{y^2}{b^2}}-x) \ Tg \alpha \)

Luego :

\( V=2\displaystyle\int_{R}^{}\displaystyle\int_{}^{}z \  dx \  dy \)



Saludos

25 Agosto, 2024, 08:52 am
Respuesta #5

ani_pascual

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Hola:
...
Luego :

\( V=2\displaystyle\int_{R}^{}\displaystyle\int_{}^{}z \  dx \  dy \)

¿Dónde tienes en cuenta la altura \( h \)? Me he perdido con lo de \( \alpha=\arcsin \dfrac{b}{a} \)  :banghead:
Saludos

25 Agosto, 2024, 06:59 pm
Respuesta #6

Raulone

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Hola de nuevo!

Yo tengo la misma duda que ani_pascual: Tampoco he entendido porque usas el seno

Por otro lado, necesitaría que me especificaras los limites de la integral doble. Muchas gracias de nuevo

27 Agosto, 2024, 02:33 am
Respuesta #7

delmar

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Disculpen realmente no me di cuenta, a pesar que está en el enunciado, que h se conoce, por ello consideré que la elipse resultaba de intersectar un cilindro recto de radio b con un plano no perpendicular al eje; en ese caso no se necesita h y \( \alpha=arc sen \displaystyle\frac{b}{a} \) en el caso que se conozca \( \alpha=arc tag \displaystyle\frac{h}{a/2} \), pero ojo ese h  sería la altura de la intesección de la generatriz que pasa por (a,0,0) con el plano x=a/2, el dibujo mostrado es incorrecto (el plano recto también corta a la elipse) finalmente lo que se usa es la \( Tg \alpha \). Me gustaría conocer el valor de h por que podría corresponderse con el primer caso (cilindro recto y plano no perpendicular al eje) en ese caso su cumple la relación  \( \displaystyle\frac{h}{a/2}=\displaystyle\frac{b}{\sqrt[ ]{a^2-b^2}} \) para los límites de integración hay que utilizar la definición de R.

Saludos

27 Agosto, 2024, 07:26 pm
Respuesta #8

Raulone

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Hola!!
La h inclinada es 1. Es decir el cilindro oblicuo corta en el punto 1 del eje Z

27 Agosto, 2024, 10:58 pm
Respuesta #9

Raulone

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Por seguir con los datos que he encontrado:

Como ya dije la generatriz es \( 9x^2+9z^2+y^2+6zy=36 \)

Mi método sería una integral triple dzdydx
donde \( z \) varía entre  \( 0 \) y \( -y/3 + 4\sqrt{4-x^2} \)
\( y \) varía entre \( 3 \) y \( 18\sqrt{1-x^2/49} \)
\( x \) varia entre \( -\sqrt{3} \) y \( +\sqrt{3}. \)

Creo que salen cuentas complicadas con este método pero puede ser resoluble. A ver si te sale algo parecido

Saludos