Одна из интереснейших задач геометрии, результат решения которой важен и в физике, и в химии, и в других областях - определение объемов. Занимаясь математикой в школе, детки часто задаются мыслью: «Зачем нам это нужно?» Мир вокруг кажется настолько простым и понятным, что определенные школьные знания относят к разряду «ненужных». Но стоит столкнуться, к примеру, с транспортировкой и возникает вопрос о том, как посчитать объем груза. Скажете, что ничего проще нет? Ошибаетесь. Знание расчетных формул, понятий "плотности вещества", "объемной плотности тел" становятся необходимы.
Школьные знания – практическая основа
Учителя школ, преподавая основы геометрии, предлагают нам такое определение объема: часть пространства, занимаемая телом. При этом формулы определения объемов давно записаны, и найти их можно в справочниках. Определить объем тела правильной формы человечество научилось задолго до появления трактатов Архимеда. Но только этот великий греческий мыслитель ввел методику, дающую возможность определить объем любой фигуры. Его умозаключения стали основой интегрального исчисления. Объемными считают фигуры, получаемые в процессе вращения плоских геометрических фигур.
Евклидова геометрия с определенной точностью позволяет определить объем:
Геометрическое тело | Формула расчета | Основные параметры |
Прямоугольный параллелепипед | V=lbh | l – длина, b – ширина, h – высота |
Куб | V=a3 | а – ребро куба |
Цилиндр | V=Sh | S – площадь основания, h – высота |
Сфера | V=4πR3/3 | R- радиус сферы |
Что предпринимать, если форма тела не столь четко определена?
Определение объема сложных геометрических конструкций - работа не из легких. Стоит руководствоваться несколькими незыблемыми принципами.
- Любое тело можно разбить на более простые части. Объем равен сумме объемов его отдельных частей.
- Равновеликие тела имеют равные объемы, параллельный перенос тел не меняет его объема.
- Единицей объема считают объем куба с ребром единичной длины.
Наличие тел неправильной формы (вспомним пресловутую корону царя Герона) не становится проблемой. Определение объемов тел гидростатическим взвешиванием вполне возможно. Это процесс непосредственного измерения объемов жидкости с погруженным в нее телом, который будет рассмотрен ниже.
Различные прикладные задачи на определение объема
Вернемся к проблеме: как посчитать объем перевозимых грузов. Каким является груз: фасованным или сыпучим? Каковы параметры тары? Вопросов больше, чем ответов. Немаловажным станет вопрос массы груза, поскольку транспорт отличается грузоподъемностью, а трассы – максимальным весом транспортного средства. Нарушение правил перевозки грозит штрафными санкциями.
Зная грузоподъемность транспорта, его габариты, можно просчитать возможный объем перевозимого груза. Верное соотношение этих параметров позволяет избежать катастрофы, преждевременного выхода транспорта из строя.
Задача 2. Груз – сыпучий материал: песок, щебень и тому подобное. На этом этапе без знаний физики обойтись может только классный специалист, опыт которого в грузоперевозках позволяет интуитивно определить предельно допустимый к перевозке объем.
Научный метод предполагает знание такого параметра, как плотность (объемная плотность) груза.
Используется формула V=m/ρ, где m – масса груза, ρ – плотность материала. Перед тем как посчитать объем, стоит узнать плотность груза, что также совсем не сложно (таблицы, лабораторное определение).
Эта методика также замечательно работает при определении объемов жидких грузов. При этом как единицу измерения используют литр.
Определение объемов строительных форм
Вопрос определения объемов играет немаловажную роль в строительстве. Возведение домов, других сооружений – дело затратное, стройматериалы требуют внимательного отношения и предельно точного расчета.
Основа здания – фундамент - представляет собой обычно литую конструкцию, заполняемую бетоном. Перед тем как посчитать объем бетона, необходимо определить тип фундамента.
Плитный фундамент – плита в виде прямоугольного параллелепипеда. Столбчатое основание - прямоугольные или цилиндрические столбы определенного сечения. Определив объем одного столба и умножив его на количество, можно рассчитать кубатуру бетона на весь фундамент.
Рассчитывая объем бетона для стен или перекрытий, поступают достаточно просто: определяют объем всей стены, умножая длину на ширину и высоту, затем отдельно определяют объемы оконных и дверных проемов. Разность объема стены и суммарного объема проемов – объем бетона.
Как определить объем здания?
Некоторые прикладные задачи требуют знаний об объеме зданий и сооружений. К ним относятся проблемы ремонта, реконструкции, определения влажности воздуха, вопросы, связанные с теплоснабжением и вентиляцией.
Прежде чем ответить на вопрос о том, как посчитать объем здания, делают замеры по внешней его стороне: площади сечения (длина умножается на ширину), высоты здания от нижней части первого этажа до чердака.
Определение внутренних объемов отапливаемых помещений проводят по внутренним обводкам.
Устройство систем отопления
Современные квартиры и офисы невозможно представить без системы отопления. Основной частью систем являются батареи и соединительные трубы. Как посчитать объем системы отопления? Полный объем всех секций отопления, который указан на самом радиаторе, необходимо сложить с объемом труб.
И на этом этапе встает проблема: как посчитать объем трубы. Представим, что труба – цилиндр, решение приходит само собой: используем формулу расчета объема цилиндра. В отопительных системах трубы заполняются водой, поэтому необходимо знать площадь внутреннего сечения трубы. Для этого определяем ее внутренний радиус (R). Формула определения площади круга: S=πR2. Общая длина труб определяется по их протяженности в помещении.
Канализация в доме – система труб
Закладывая трубы для водоотведения, также стоит знать объем трубы. На этом этапе необходим внешний диаметр, действия аналогичны предыдущим.
Определение объема металла, который идет на изготовление трубы – также интересная задача. Геометрически труба – цилиндр с пустотами. Определить площадь кольца, лежащего в ее сечении – задача достаточно сложная, но решаемая. Более простой выход – определить внешний и внутренний объемы трубы, разность этих величин и будет объемом металла.
Определение объемов в задачах физики
Знаменитая легенда о короне царя Герона стала известной не только вследствие решения задачи выведения «на чистую воду» вороватых ювелиров. Итог сложной мыслительной деятельности Архимеда – определение объемов тел неправильной геометрической формы. Основная мысль, извлеченная философом - объем вытесненной телом жидкости равен объему тела.
В лабораторных исследованиях пользуются мерным цилиндром (мензуркой). Определяют объем жидкости (V1), погружают в нее тело, выполняют вторичные измерения (V2). Объем равен разности вторичных и первичных измерений: Vт = V2 – V1.
Такой метод определения объемов тел используют при вычислении объемной плотности сыпучих нерастворимых материалов. Он крайне удобен при определении плотности сплавов.
Вычислить объем булавки можно с применением этого метода. Кажется, достаточно сложно определить объем столь маленького тела, как булавка или дробинка. Линейкой его не измерить, мерный цилиндр также достаточно велик.
Но если использовать несколько совершенно одинаковых булавок (n), то можно при помощи мерного цилиндра определить их суммарный объем (Vт = V2 – V1). Затем полученную величину разделить на количество булавок. V= Vт\n.
Эта задача становится понятной, если из одного большого куска свинца необходимо отлить множество дробинок.
Единицы измерения объема жидкости
Использование в повседневной жизни иных внесистемных мер может вызвать трудности. Англичане используют более привычные для них баррели, галлоны, бушели.
Система перевода:
Английские меры | Русские меры | ||
Бушель | 36,4 л | Ведро | 12 л |
Галлон | 4,5 л | Бочка | 490 л |
Баррель(сухой) | 115,628 л | Штоф | 1, 23 л |
Баррель (нефтяной) | 158, 988 л | Чарка | 0, 123 л |
Английский баррель для сыпучих веществ | 163,65 л | Шкалик | 0,06 л |
Задачи с нестандартными данными
Задача 1. Как посчитать объем, зная высоту и площадь? Обычно такую задачу решают, определяя объем покрытия различных деталей гальваническим путем. При этом площадь поверхности детали (S) известна. Толщина слоя (h) – высота. Объем определяют произведением площади и высоты: V=Sh.
Задача 2. Для кубов интересной, с математической точки зрения, может выглядеть задача определения объема, если известна площадь одной грани. Известно, что объем куба: V=a3, где а – длина его грани. Площадь боковой поверхности куба S=a2. Извлекая квадратный корень из площади, получаем длину грани куба. Используем формулу объема, вычисляем его значение.
Задача 3. Вычислить объем фигуры, если известна площадь и даны некоторые параметры. К дополнительным параметрам можно отнести условия соотношения сторон, высот, диаметров основания и многое другое.
Для решения конкретных задач понадобятся не только знания формул расчета объемов, но и другие формулы геометрии.
Определение объемов памяти
Совершенно не связанная с геометрией задача: определить объем памяти электронных устройств. В современном, достаточно компьютеризованном мире эта проблема не бывает лишней. Точные устройства, какими являются персональные компьютеры, не терпят приблизительности.
Знание объемов памяти флешки или иного накопителя полезно при копировании, перемещении информации.
Немаловажно знать объем оперативной и постоянной памяти компьютера. Часто пользователь сталкивается с ситуацией, когда «не идет игра», «виснет программа». Проблема вполне возможна при низком объеме памяти.
Единицей измерения информации считается байт и его производные (килобайт, мегабайт, терабайт).
1 кБ = 1024 Б
1 МБ = 1024 кБ
1 ГБ = 1024 Мб
Странность в данной системе перерасчета следует из двоичной системы кодирования информации.
Размер памяти запоминающего устройства является его основной характеристикой. Сравнивая объем переносимой информации и объем памяти накопителя, можно определить возможность его дальнейшей эксплуатации.
Понятие «объема» настолько масштабно, что в полной мере уяснить его многогранность можно только решая прикладные задачи, интересные и увлекательные.
