高数柱壳法求体积,柱壳法公式推导

也有去除体积的方法。 通常比上一篇文章的方法更有用。

为了理解该方法,考虑图1的左侧所示的区域,即第一象限轴和由曲线y=f(x )包围的区域。 当该区域以x轴为中心旋转时,在图中的垂直窄带上生成圆盘,在x=0到x=b的区间内对这些圆盘的体积进行积分,可以得到总体积。 当然,这是上一篇文章中说明的圆盘法。 但是,当区域绕y轴旋转时,如图中央,我们得到了完全不同的物体,在垂直窄带上形成了薄圆柱壳。 这个外壳可以看做罐头,但上面和下面被去掉了,或者是薄纸板。 其体积dV本质上是内圆柱的表面积(2xy )乘以厚度(dx )而得到的

dv=2xydx(1) )。

该壳的半径x从x=0增加到x=b,从图1可以看出,圆柱壳序列填充沿轴向外充满了整个物体。 因此,总体积是dV体积元之和-或积分

v=dv=2xydx=b02xf(x ) dx )2)

这里,y=f(x )原则上也可以用在水平窄带中得到的水平圆盘计算体积v; 但是,可以看出,这非常困难,因为给定的方程y=f(x )不能用y表示x。

图1

与其他积分应用一样,等式(1) )将涉及极限的复杂过程变为简洁的表达式,但为了清楚起见,将忽略该过程的细节。

建议不要像以前一样背诵公式(2)。 这个公式和对应的圆盘法公式很相似,如果只是死记硬背的话,很容易把他们混合起来打字,变得自信。 更好的方式是绘制图,从图中可以看到的信息直接构建(1),对形式)进行积分。 另外,该方法的更大优点在于不依赖特定的符号,能够容易地将基本思想应用于旋转各种轴而得到的物体。

例1:上一篇文章用圆盘式方法计算了球体的体积。 现在用圆柱壳法解决这个问题(图2 )。 图中所示壳的体积

dv=2x(2y ) dx=4xa2x2dx

所以球体的体积

v=4a0xa2x2dx=4(13 ) a2x2)3/2;A0=43;a2x2)3/23 ) ) a0=43a3

图2

另外,考虑一下直径为a的垂直孔通过球中时,如何找到其馀体积的问题。 因此,显然积分dV区间从x=a/2变为x=a

v=4aa/2xa2x2dx=43(a2x2 )3/2) aa/2=43) 34a2 )3/2=43(338a3 )=3) 2a3 )

这个问题可以用垫圈法解决,不是圆柱壳法更方便。

例2: y=x2上和y=2×2下在由第一象限包围的区域中绕y轴旋转(图3 )。 为了用圆柱壳法求出体积,从观察可知壳的高度为y=(2×2 ) x2=22×2,因此

dv=2xydx=2x(22×2 ) dx=4x (xx3 ) dx

由于曲线交点位于x=1

v=410(xx3 ) dx=4(12x 214 x4 ) ) (10=

大家经常把错误的积分区域从x=1设定为x=1。 这种不准确的原因可以从几何学上理解,圆柱壳从轴向外侧横穿的物体半径从0增加到l,而不是从-l增加到1。

请注意,如果试图用圆盘法解决这个问题,则需要计算两个积分。 一个是曲线交点下的体积,另一个是上的体积。

图3

例3:血流量。 人类身体的主动脉-主动脉-是管道,有人类拇指那么大。 心脏跳动使血液通过动脉,接近中心的血液粒子移动速度约为50cm/s(20in/s )。 而血液为粘稠液体,动脉壁附近血有固着于血管壁的趋势,因此速度基本为零。 在这些情况下,计算总流量的问题需要用圆柱壳法积分得到。

从非常简单的想法开始吧。 液体以一定速度s0流过圆柱管时,单位时间内通过某处的液体体积(流量f )为s0A,a为血管的截面积(图4 )。

但我们知道人体动脉中的血液流动比这复杂得多。 假设动脉为圆柱形,长度为l半径为r (图5 )。 由于上述粘度,血液在薄圆柱内流动,每层移动速度基本恒定,每层速度不同。 这就是所谓的层流流动,血液在靠近动脉壁附近流速慢,在中心位置流速快(如图5所示),内部层就会滑向外部前面(图6 )。

速度s和距离中心

距离 r 之间的确切关系是
s=P4ηL(R2−r2)(3)

图4

其中 P 是动脉之间的压力差,η是血液的粘度。我们注意到,如果速度 r=R ,那么速度为零;如果 r=0 ,那么速度最大为 PR2/4ηL 。通常用厘米 (cm) 来度量 R,r,L ,用 dynes/cm2 来度量 P ,dyne−s/cm2来度量 η ,这样的话 cm/s 度量 s 。对于人体而言一般R=0.2 cm,常数 P/4ηL 是500。根据这些值(3)变为

s=5000(0.22−r2)=20−500r2cm/s(4)

图5

图6

这个函数图像时抛物线的一部分(图7)并且它还说明随着血粒子靠近血管壁,它的速度趋近于零。中心的速度为 20 cm/s ,但是当 r=0.15 时,速度只有 s=20−500(0.15)2=8.75 cm/s 。

图7

现在,为了计算流量 F (单位时间通过某处的总体积),我们写出半径为r厚度为 dr 的圆柱壳的流量元 dF :

dF=s⋅2πrdr=P4ηL(R2−r2)⋅2πrdr=πP2ηL(R2r−r3)dr

剩下的工作是将所有的壳加起来,即从 0 到R进行积分:

F=∫dF=∫R0πP2ηL∫R0(R2r−r3)dr=∫R0πP2ηL(12R2r2−14r4)∣∣R0=πP8ηLR4

这个公式

F=πP8ηLR4(5)

心血管生理学领域叫做 Poiseuille′s law 。它表明流量与动脉半径的四次方成正比,所以半径增加一倍流量要乘以16。

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

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