Optimale konstruktioner - når naturen former

Opgave 3

Vi vil se på en dobbeltboble med samme rumfang i de to kamre; væggen mellem kamrene er så en cirkelskive.

Med betegnelser som på figuren sættes r = | AB | og h = | CD |.

For en afskåret kugle med radius r og højde h gælder følgende formler for rumfanget V og den krumme overflade O:

og

Vi vil nu holde rumfanget i de to kamre fast, men minimere den samlede overflade i dobbeltboblen ved at ændre på r og h.

Den samlede overflade, der består af de to krumme overflader og cirkelskivens areal, vil være en funktion af h, som betegnes f(h).

  1. Opstil en forskrift for f.

  2. Find ved differentiation et udtryk for sammenhængen mellem h og V, når f(h) er mindst mulig.

  3. Vis at h = 1,5 · r, når f(h) er mindst mulig.

  4. Vis at den stumpe vinkel mellem tangentplanerne i B til de to kugler er 120 grader, når den samlede overflade er mindst mulig.

  5. Vis den ovennævnte formel for rumfang af afskåret kugle ved at beregne rumfanget af et omdrejningslegeme ved integralregning (se eventuelt opgave 5.119 i Vejledende eksempler på eksamensopgaver i matematik, 3-årigt forløb til A-niveau).
    Den ovennævnte formel for den krumme overflade af afskåret kugle kan udledes ved at benytte følgende formel for overfladen af et omdrejningslegeme:
  1. Begrund denne formel og brug den til at udlede formlen for den krumme overflade af afskåret kugle.