پل قوسی و حاشیهٔ عبور کامیون
یک پل قوسی شکل با معادلهٔ y = 4 - 0.02x^2 مدل شده است. در این معادله، x فاصلهٔ افقی از خط مرکزی پل بر حسب متر و y ارتفاع سقف قوس از سطح جاده است. جاده در y=0 قرار دارد. یک کامیون به عرض ۲٫۵ متر و ارتفاع ۳٫۲ متر باید از زیر قوس عبور کند. راننده میتواند کامیون را طوری هدایت کند که مرکز آن ۳ متر از خط مرکزی فاصله داشته باشد. مسئول ایمنی فقط ارتفاع نقطهٔ مرکزی کامیون را بررسی میکند و میگوید چون ارتفاع قوس در x=3 برابر ۳٫۸۲ متر و از ارتفاع کامیون بیشتر است، عبور بیخطر است. رانندهٔ دوم میگوید لبهٔ بیرونی کامیون در x=4.25 قرار میگیرد و باید ارتفاع همان نقطه هم بررسی شود. هیچ علامت یا تجهیزات کمکی روی پل نصب نشده و تصمیم فقط بر پایهٔ مدل ریاضی گرفته میشود. همچنین فرض کنید کامیون باید کاملاً زیر قوس بماند و جاده کاملاً افقی است. کدام استدلال درست است و حاشیهٔ ایمنی در بدترین نقطه چقدر است؟
1. عرض بیشینهٔ مجاز برای عبور یک جسم در ارتفاع ۳٫۲ متری را حساب کنید.
Read the worked answer
با قرار دادن y=3.2 در معادلهٔ قوس:
3.2 = 4 - 0.02x^2 ⇒ 0.02x^2 = 0.8 ⇒ x^2 = 40 ⇒ x ≈ ±6.32 m
پس عرض بیشینه در آن ارتفاع برابر است با:
2 × 6.32 ≈ 12.65 m
این عدد فقط برای یک جسم نازک در ارتفاع ثابت ۳٫۲ متر است؛ برای کامیون باید کل عرض آن، نه فقط مرکز، بررسی شود.
2. آیا استدلال مسئول ایمنی که فقط مرکز کامیون را بررسی کرده، کافی است؟ حداقل ارتفاع آزاد در بدترین نقطه چقدر است؟
Read the worked answer
خیر، بررسی مرکز کافی نیست. کامیون عرض ۲٫۵ متر دارد، پس اگر مرکزش در x=3 باشد، لبهها در x=1.75 و x=4.25 قرار میگیرند. ارتفاع قوس در لبهٔ بیرونی:
y = 4 - 0.02(4.25)^2 = 4 - 0.361 ≈ 3.639 m
این مقدار از ارتفاع ۳٫۲ متر بیشتر است، پس کامیون در این وضعیت عبور میکند. اما حاشیهٔ ایمنی واقعی در بدترین نقطه برابر است با:
3.639 - 3.2 ≈ 0.439 m
نه ۳٫۸۲ - ۳٫۲ = ۰٫۶۲ متر که از مرکز به دست میآید. بنابراین نتیجهٔ مسئول ایمنی در این مثال درست است، اما روش او ناقص است و ممکن است در فاصلههای بزرگتر خطا بدهد.
3. بیشترین فاصلهٔ مجاز مرکز کامیون از خط مرکزی را طوری بیابید که کل عرض کامیون زیر قوس بماند.
Read the worked answer
بدترین نقطه، لبهٔ بیرونی کامیون است. اگر مرکز کامیون در فاصلهٔ c از خط مرکزی باشد، لبهٔ بیرونی در x=c+1.25 قرار میگیرد. شرط عبور:
4 - 0.02(c+1.25)^2 ≥ 3.2 ⇒ 0.02(c+1.25)^2 ≤ 0.8 ⇒ (c+1.25)^2 ≤ 40 ⇒ c+1.25 ≤ 6.324 ⇒ c ≤ 5.074 m
پس مرکز کامیون نباید بیش از حدود ۵٫۰۷ متر از خط مرکزی فاصله بگیرد. در c=5.07 لبهٔ بیرونی دقیقاً در ارتفاع ۳٫۲ متر است و حاشیهٔ ایمنی صفر میشود.