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altura de un segmento circular dada el area

Experto:
Usuario:
Fecha: 20/02/2008
Valoración: (5,00 sobre 5) Categoría: Matemáticas
19/02/2008
alberjob, usuario preguntando en Matemáticas
Usuario
hola, necesito que me ayude con un problema que he tratado de resolver durante todo el dia. Estoy diseñando un programa que calcule las dimensiones de un separador horizontal de petróleo y gas, existe un punto en el que encuentro el valor idóneo del area del gas y el area del petroleo para las condiciones de flujo dadas. imaginemos un circulo, ya que es una seccion transversal, si conozco el area del gas (area de un segmento circular por encima de una cuerda) y tambien conozco el area del petroleo (el resto del area de la circunferencia por debajo de la cuerda) y además conozco el diametro de la circunferencia, ¿existe alguna forma de encontrar la altura existente desde el centro de la cuerda hasta el punto mas alto de la circunferencia? lo necesito urgentemente para realizar el resto de los calculos, he intentado de muchas formas y no he podido, ¿me podría ayudar? de antemano le agradezco muchisimo por su colaboración, saludos.
19/02/2008
alberjob, experto respondiendo en Matemáticas
Experto
hola alberjob
Es difícil explicar esto sin un dibujo.Estoy considerando un círculo, donde el petroleo está en la mitad inferior, y el resto es gas. (La mayoría del area es ocupada por el gas)
Construye un triángulo isóceles con vértices en el centro de la circunferencia, y las puntas donde se unen el gas y el petroleo.
El ángulo que es distinto de los otros en ese triángulo es:
alpha=A*360/(pi*r^2)
Donde A es el área del petroleo, y r el radio de la circunferencia (ambos conocidos)
Con el teorema del coseno puedes calcular el lado opuesto a este ángulo (el lado más grande del triángulo):
lado=raiz(2r^2-2r^2*cos(alpha))=raiz(2)*r*raiz(1-cos(alpha))
con eso conoces los 3 lados del triángulo.
Ahora dibuja la altura h del triángulo (que es el dato que necesitas) y formarás 2 triángulos rectángulos igualles, donde coneces un lado (lo acabas de calcular) y su hipotenusa (el radio de la circunferencia), y con pitágoras encuentras la altura, con lo que tienes solucionado el prob.

espero te haya quedado claro (es muy difícil explicar esto sin dibujo)
si te quedó alguna duda vuelve a preguntar,
si no, te pido no olvides evaluar mi respuesta,
éxito,
Mathtruco.
19/02/2008
alberjob, usuario preguntando en Matemáticas
Usuario
hola mathtruco, te agradezco muchisimo por tu rapida respuesta. Entendi todo lo que me explicaste sin necesidad del dibujo, sin embargo creo que tuviste un pequeño error con la formula de alfa que utilizaste, ya que el area a utilizar en esa formula (que tu tomaste como el area del petroleo) no es el area del petroleo, la formula que utilizaste trabaja con el area del sector circular (que no es lo mismo que un segmento circular), el sector es como un pedazo de pizza, mientras que el segmento (area del petroleo) no incluye al triangulo, sino al espacio entre la cuerda y el arco. En fin he leido que el area del segmento es calculada restandole el area del triangulo al area del sector circular (la formula que tu utilizaste) he intentado desarrollar por esa via, tratando de dejar la formula en funcion de la altura que necesito, pero se me hace indespejable. Existira alguna forma de llegar al resultado final con los datos disponibles? (las 2 areas del liquido y el gas y el diametro) te agradeceria muchisimo si pudieras encontrar una solucion, ya que yo no he podido.
Gracias!
Alberjob.
19/02/2008
alberjob, experto respondiendo en Matemáticas
Experto
uff..  tienes razón, disculpa, me apuré mucho. Pero la idea me parece va por ahí.
No veo como encontrar solución exacta (de hecho he googleados para encontrar la fórmula sin encontrarla, y las fórmulas geométricas si existen por lo general son fáciles de encontrar)

Como estás haciendo un programa puedes encontrar la solución aproximada (tan aproximada como quieras, si quieres con un error de 0.0000000000001).
Lo puedes hacer de la siguiente forma:
A:Area del petroleo (que es conocida)
AT: Area triángulo isóceles
AP: Area del trozo de pastel (la fórmula que estaba en mi post anterior)
del dibujo se observa que;
AP-A=AT
pi*r^2*alpha/360-A=base*altura     .......(*)


por el teorema del coseno:
base=raiz(2r^2-2r^2*cos(alpha))=raiz(2)*r*raiz(1-cos(alpha))
altura=sqrt(r^2-base^2)   (donde reemplazas 'base' por la expresión anterior para que esté en función de alpha)

si reemplazas todo en la ecuación (*) tienes una ecuación no lineal, donde la única incógnita es alpha, que puedes determinar por algún método numérico (como el de bisección, que no es el método más rápido, pero siempre converge a la solución).
Si tienes problemas para emplear el método numérico puedes volver a preguntar, o algo probable es que lo que el lenguaje que estás usando tenga los métodos numéricos más usados (como los de tu problema).
De todas formas buscaré la sol exacta, aunque 'me parece' que no existe, y si pensamos que mantener el petroleo totalmente quieto en el estanque es imposible, es muy posible que calcular el area que ocupa también, así que un error de 0.000001 ....

eso.. espero te sirva,


Mathtruco.
20/02/2008
alberjob, usuario preguntando en Matemáticas
Usuario
hola mathtruco, gracias por tu valioso aporte, entendido a la perfeccion, tienes razon, la unica forma que creo posible tiene que ser por un metodo numerico que te ayude a conseguir un valor indespejable. ademas de tu opcion aportada yo tambien habia seguido desarrollando y trabajando en funcion de beta (mitad de alfa) y dije que el area del pedazo de pastel AP=((pi*(r^2)*2beta)/360) si a esa area le resto el area del triangulo (sabiendo que, base=2*r*sen(beta)............ altura=r*cos(beta)) tengo que AT= (2*(r^2)*sen(beta)*cos(beta))/2..... al restar AP-AT obtengo A (area del petroleo) simplificando un poco A=((pi*(r^2)*beta)/180)-((r^2)*sen(beta)*cos(beta)) donde mi unica incognita es beta, ya que conozco A y r, encuentro beta a traves de un metodo numerico, luego con un simple coseno de beta multiplicado por r encuentro la distancia entre el centro y el tope del petroleo, que al restarsela al radio me arroja la altura, el mismo principio de tu idea. Encontré tambien en un libro la siguiente formula: alfa=2*atan(h/(raiz(2*h*r)-h^2)) donde alfa estaría en radianes y h es la altura del petroleo que yo necesitaba (desde la cuerda al arco) por alli tambien se puede desarrollar otra solucion. y bueno otra formula mas para el monton que debes tener tu almacenadas, por si alguna vez la llegaras a necesitar. Muchisimas gracias por la excelente ayuda brindada y por tu atencion mathtruco, si tengo otro problema no dudaré en volverte a consultar, saludos,
alberjob
20/02/2008
alberjob, usuario preguntando en Matemáticas
Usuario
Era primera vez que usaba todoexpertos y no sabia que habia una seccion de comentarios a la hora de puntuar, por eso te envie los comentarios como otra pregunta, disculpas y saludos de nuevo.
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