a) The volume
V = ∭ d x d y d z V=\iiint dxdydz V = ∭ d x d y d z
Now, z = 0 ; x 2 + 4 y 2 = 4 ; z = 2 − x z=0;x^2+4y^2=4;z=2-x z = 0 ; x 2 + 4 y 2 = 4 ; z = 2 − x
Then, { 0 ⪕ z ⪕ 2 − x , 0 ⪕ x ⪕ 4 − 4 y 2 , 0 ⪕ y ⪕ 1 } \text{\textbraceleft}0\eqslantless z \eqslantless2-x, 0\eqslantless x \eqslantless \sqrt{4-4y^2}, 0\eqslantless y\eqslantless1 \text{\textbraceright} { 0 ⪕ z ⪕ 2 − x , 0 ⪕ x ⪕ 4 − 4 y 2 , 0 ⪕ y ⪕ 1 }
So the volume integral becomes
V = ∫ 0 1 ∫ 0 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x d z d x d y V=\int_0^1 \int_0^{\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}dzdxdy V = ∫ 0 1 ∫ 0 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x d z d x d y
V = ∫ 0 1 ∫ 0 4 − 4 y 2 ( 2 − x ) d x d y V=\int_0^1 \int_0^{\sqrt{4-4y^2}}(2-x)dxdy V = ∫ 0 1 ∫ 0 4 − 4 y 2 ( 2 − x ) d x d y
V = ∫ 0 1 [ 2 x − x 2 2 ] 0 4 − 4 y 2 d y V=\int_0^1 [2x- \frac{x^2}{2}]_0^{\sqrt{4-4y^2}}dy V = ∫ 0 1 [ 2 x − 2 x 2 ] 0 4 − 4 y 2 d y
V = 2 [ y 3 3 + y 1 − y 2 − y + a r c s i n ( y ) ] 0 1 V=2[ \frac{y^3}{3}+y \sqrt{1-y^2}-y+arcsin (y)]_0^1 V = 2 [ 3 y 3 + y 1 − y 2 − y + a rcs in ( y ) ] 0 1
V = π − 4 3 V=\pi- \frac{4}{3} V = π − 3 4
b) Center of mass
M = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x d z d y d x M=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}dzdydx M = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x d z d y d x
M = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 [ 2 − x ] d y d x M=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}[2-x]dydx M = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 [ 2 − x ] d y d x
M = ∫ − 2 2 ( ( 2 − x ) 4 − 4 y 2 ) d x M=\int_{-2}^2 ((2-x)\sqrt{4-4y^2})dx M = ∫ − 2 2 (( 2 − x ) 4 − 4 y 2 ) d x
M = ∫ 0 2 2 4 − 4 y 2 − x 4 − 4 y 2 ) d x = 4 π M=\int_{0}^2 2\sqrt{4-4y^2}-x\sqrt{4-4y^2})dx=4 \pi M = ∫ 0 2 2 4 − 4 y 2 − x 4 − 4 y 2 ) d x = 4 π
M y z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x x d z d y d x M_{yz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}xdzdydx M yz = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x x d z d y d x
M y z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 x [ 2 − x ] d y d x M_{yz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}x[2-x]dydx M yz = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 x [ 2 − x ] d y d x
M y z = ∫ − 2 2 ( ( 2 x − x 2 ) 4 − 4 y 2 ) d x M_{yz}=\int_{-2}^2 ((2x-x^2)\sqrt{4-4y^2})dx M yz = ∫ − 2 2 (( 2 x − x 2 ) 4 − 4 y 2 ) d x
M y z = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x M_{yz}=-2\int_{0}^2 x^2\sqrt{4-4x^2} dx M yz = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x
Let x = 2 s i n θ ; d x = 2 c o s θ d θ x= 2sin \theta; dx=2cos \theta d\theta x = 2 s in θ ; d x = 2 cos θ d θ
M y z = − 32 ∫ 0 π 2 s i n 2 θ c o s 2 θ d θ = − 2 π M_{yz}=-32 \int_0 ^{\frac{\pi}{2}}sin^2 \theta cos^2 \theta d \theta =-2 \pi M yz = − 32 ∫ 0 2 π s i n 2 θ co s 2 θ d θ = − 2 π
M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x y d z d y d x M_{xz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}ydzdydx M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x y d z d y d x
M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 y [ 2 − x ] d y d x M_{xz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}y[2-x]dydx M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 y [ 2 − x ] d y d x
M x z = 2 − x 2 [ ( 4 − 4 y 2 ) 2 2 − ( 4 − 4 y 2 ) 2 2 ] = 0 M_{xz}=\frac{2-x}{2}[\frac{(\sqrt{4-4y^2})^2}{2}-\frac{(\sqrt{4-4y^2})^2}{2}] =0 M x z = 2 2 − x [ 2 ( 4 − 4 y 2 ) 2 − 2 ( 4 − 4 y 2 ) 2 ] = 0
So, the center of mass is
x ˉ = M y z M = − 2 π 4 π = − 1 2 \bar{x}= \frac{M_{yz}}{M}= \frac{-2 \pi}{4 \pi}= -\frac{1}{2} x ˉ = M M yz = 4 π − 2 π = − 2 1
y ˉ = M x z M = 0 4 π = 0 \bar{y}= \frac{M_{xz}}{M}= \frac{0}{4 \pi}= 0 y ˉ = M M x z = 4 π 0 = 0
c) Moment of inertial about the x-axis, y-axis, and z-axis
M y z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x x d z d y d x M_{yz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}xdzdydx M yz = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x x d z d y d x
M y z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 x [ 2 − x ] d y d x M_{yz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}x[2-x]dydx M yz = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 x [ 2 − x ] d y d x
M y z = ∫ − 2 2 ( ( 2 x − x 2 ) 4 − 4 y 2 ) d x M_{yz}=\int_{-2}^2 ((2x-x^2)\sqrt{4-4y^2})dx M yz = ∫ − 2 2 (( 2 x − x 2 ) 4 − 4 y 2 ) d x
M y z = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x M_{yz}=-2\int_{0}^2 x^2\sqrt{4-4x^2} dx M yz = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x
Let x = 2 s i n θ ; d x = 2 c o s θ d θ x= 2sin \theta; dx=2cos \theta d\theta x = 2 s in θ ; d x = 2 cos θ d θ
M y z = − 32 ∫ 0 π 2 s i n 2 θ c o s 2 θ d θ = − 2 π M_{yz}=-32 \int_0 ^{\frac{\pi}{2}}sin^2 \theta cos^2 \theta d \theta =-2 \pi M yz = − 32 ∫ 0 2 π s i n 2 θ co s 2 θ d θ = − 2 π
M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x y d z d y d x M_{xz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}ydzdydx M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x y d z d y d x
M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 y [ 2 − x ] d y d x M_{xz}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}y[2-x]dydx M x z = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 y [ 2 − x ] d y d x
M x z = 2 − x 2 [ ( 4 − 4 y 2 ) 2 2 − ( 4 − 4 y 2 ) 2 2 ] = 0 M_{xz}=\frac{2-x}{2}[\frac{(\sqrt{4-4y^2})^2}{2}-\frac{(\sqrt{4-4y^2})^2}{2}] =0 M x z = 2 2 − x [ 2 ( 4 − 4 y 2 ) 2 − 2 ( 4 − 4 y 2 ) 2 ] = 0
M x y = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x z d z d y d x M_{xy}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}\int_0^{2-x}zdzdydx M x y = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 ∫ 0 2 − x z d z d y d x
M x y = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 z [ 2 − x ] d y d x M_{xy}=\int_{-2}^2 \int_{-0.5\sqrt{4-4y^2}}^{0.5\sqrt{4-4y^2}}z[2-x]dydx M x y = ∫ − 2 2 ∫ − 0.5 4 − 4 y 2 0.5 4 − 4 y 2 z [ 2 − x ] d y d x
M x y = ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x + 1 4 [ x 2 ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x − ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x ] M_{xy}=\int_{-2}^2 \sqrt{4-x^2})dx+\frac{1}{4}[x^2\int_{-2}^2 \sqrt{4-x^2})dx-\int_{-2}^2 \sqrt{4-x^2})dx] M x y = ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x + 4 1 [ x 2 ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x − ∫ − 2 2 4 − x 2 ) d x ]
M x y = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x M_{xy}=-2\int_{0}^2 x^2\sqrt{4-4x^2} dx M x y = − 2 ∫ 0 2 x 2 4 − 4 x 2 d x
M x y = 2 ∗ π 2 + 4 π = 5 π M_{xy}=2* \frac{\pi}{2}+4 \pi =5 \pi M x y = 2 ∗ 2 π + 4 π = 5 π
Comments