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b) Man berechne die Masse von \( K \) mit der Dichtefunktion \( \rho(x, y, z)=3+5 z^{2} \) unter Verwendung von Kugelkoordinaten.

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Problem:

Leider weiß ich nicht, wie man die Dichtefunktion allgemein in Kugelkoordinaten umschreibt

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Aloha :)

Ich vermute, dass es sich bei \(K\) um eine Kugel mit Radius \(R\) handelt, deren Mittelpunkt im Ursprung des Koordinatensystems befestigt ist. Zur Bestimmung der Masse dieser Kugel brauchen wir einen Ortsvektor \(\vec r\), der jeden Punkt der Kugel abtastet. In Kugelkoordinaten formuliert heißt das:$$\vec r=\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}r\cos\varphi\sin\vartheta\\r\sin\varphi\sin\vartheta\\r\cos\vartheta\end{pmatrix}\quad;\quad r\in[0;R]\quad;\quad\varphi\in[0;2\pi]\quad;\quad\vartheta\in[0;\pi]$$

Durch den Übergang von kartesischen Koordinaten zu Kugelkoordinaten wird das Volumenelement verzerrt$$dV=dx\,dy\,dz=r^2\sin\vartheta\,dr\,d\varphi\,d\vartheta$$und die Dichtefunktion geht über in$$\rho(x;y;z)=1+x^2+y^2+z^2=1+r^2$$

Damit können wir das Integral für die Masse \(M\) wie folgt formulieren:$$M=\int\limits_{r=0}^R\;\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\;\int\limits_{\vartheta=0}^{\pi}\underbrace{(1+r^2)}_{=\rho}\,\underbrace{r^2\sin\vartheta\,dr\,d\varphi\,d\vartheta}_{=dV}=\int\limits_{r=0}^R(r^2+r^4)dr\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi\int\limits_{\vartheta=0}^{\pi}\sin\vartheta\,d\vartheta$$$$\phantom M=\left[\frac{r^3}{3}+\frac{r^5}{5}\right]_0^R\cdot\left[\varphi\right]_0^{2\pi}\cdot\left[-\cos\varphi\right]_0^\pi=\left(\frac{R^3}{3}+\frac{R^5}{5}\right)\cdot2\pi\cdot2=\frac{4\pi R^3}{3}\left(1+\frac{3R^2}{5}\right)$$

Avatar von 152 k 🚀

Vielen Dank für deine Antwort. Ich habe es größtenteils verstanden, nur weiß ich leider immer noch nicht? Wie man auf die 1+r^2 kommt. Vielen Dank im Voraus

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Text erkannt:

und die Dichtefunktion geht über in
\( \rho(x ; y ; z)=1+x^{2}+y^{2}+z^{2}=1+r^{2} \)

Oha, ich dachte das wäre klar...

Bei der Koordinaten-Transformation setzen wir ja:$$x=r\cos\varphi\sin\vartheta\quad;\quad y=r\sin\varphi\sin\vartheta\quad;\quad z=r\cos\vartheta$$

Daher ist:$$\phantom=x^2+y^2+z^2$$$$=r^2\sin^2\varphi\sin^2\vartheta+r^2\sin^2\varphi\sin^2\vartheta+r^2\cos^2\vartheta$$$$=r^2\sin^2\vartheta\cdot\underbrace{(\cos^2\varphi+\cos^2\varphi)}_{=1}+r^2\cos^2\vartheta$$$$=r^2\sin^2\vartheta+r^2\cos^2\vartheta$$$$=r^2\cdot\underbrace{\left(\sin^2\vartheta+\cos^2\vartheta\right)}_{=1}$$$$=r^2$$

Vielen Dank!

Wie würde es sich verändern, wenn dich Dichtefunktion zum Beispiel 1+ 2x^2 +y^2 +3z^3 wäre? Sprich Vorfaktoren hätte?

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