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Die Halbkugel \(B=\left\\{x \in \mathbb{R}^{3} \mid\|x\|0\right\\}\) besteht aus einem Material mit der Dichte \(\varrho(x)=a x_{3}, a>0\). Berechnen Sie die Masse und die dritte Koordinate des Schwerpunkts der Halbkugel.

Short Answer

Expert verified
Given a hemisphere with radius R and a density function \(\varrho(x) = ax_3\), we can determine its mass and the third coordinate of its center of mass by integrating the density function over the hemisphere's volume. Using spherical coordinates and evaluating the integral, we find the mass of the hemisphere to be \(M = \frac{1}{4}\pi aR^4\). The third coordinate of the center of mass is \(z_c = \frac{2}{3}R\).

Step by step solution

01

Define the hemisphere

The hemisphere is defined as \(B=\{x \in \mathbb{R}^{3} \mid\|x\|0\}\). We can use spherical coordinates to express the volume integral. The spherical coordinates are given by: \(x = r\sin\theta\cos\phi\) \(y = r\sin\theta\sin\phi\) \(z = r\cos\theta\) The volume element in spherical coordinates is \(dV = r^2\sin\theta dr d\theta d\phi\).
02

Finding mass

In order to find the mass, we need to integrate the density function over the entire volume of the hemisphere: \(M = \int_V \varrho(x) dV\), with \(0 \le r \le R\), \(0 \le \theta \le \frac{\pi}{2}\), and \(0 \le \phi \le 2\pi\). Substitute the density function \(\varrho(x) = ar\cos\theta\), and the volume element \(dV = r^2\sin\theta dr d\theta d\phi\). \(M = a \int_{0}^{R} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{2\pi} r^3\cos\theta\sin\theta dr d\theta d\phi\) Now we will evaluate each integral separately.
03

Calculate mass

First evaluate the \(\phi\) integral: \(\int_{0}^{2\pi} d\phi = 2\pi\) Next, evaluate the \(\theta\) integral: \(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta\sin\theta d\theta = \frac{1}{2}\) (use substitution u = sin(θ), du = cos(θ)dθ) Finally, evaluate the \(r\) integral: \(\int_{0}^{R} r^3 dr = \frac{1}{4}R^4\) (using the power rule) Put everything together the mass: \(M = a \cdot 2\pi \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{4}R^4 = \frac{1}{4}\pi aR^4\)
04

Calculate the third coordinate of the center of mass

The third coordinate of the center of mass is given by: \(z_c = \frac{1}{M} \int\limits_{0}^{R}\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int\limits_{0}^{2\pi} arz \cdot r^2\sin\theta dr d\theta d\phi\) \(z_c = \frac{4}{\pi aR^4} \int\limits_{0}^{R}\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}\int\limits_{0}^{2\pi} ar^3\cos\theta \cdot r^2\sin\theta dr d\theta d\phi\) Now we will integrate each part separately using the same bounds as before. Evaluate the \(\phi\) integral: \(\int_{0}^{2\pi} d\phi = 2\pi\) Evaluate the \(\theta\) integral: \(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta\sin\theta d\theta = \frac{1}{2}\) Evaluate the \(r\) integral: \(\int_{0}^{R} r^5 dr = \frac{1}{6}R^6\) Putting everything together: \(z_c = \frac{4}{\pi aR^4} \cdot 2\pi \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{6}R^6 = \frac{2}{3}R\) The mass of the hemisphere is \(M = \frac{1}{4}\pi aR^4\) and the third coordinate of its center of mass is \(z_c = \frac{2}{3}R\).

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