Ferris Wheel

Report 61 Downloads 493 Views
Ferris Wheel Al  and  Betty  have  to  go  the  amusement  park  to  ride  on  a  Ferris  wheel.    The  wheel  in  the  park  has  a  radius  of  15   feet,  and  its  center  is  20  feet  above  ground  level.     You  can  describe  various  positions  in  the  cycle  of  the  Ferris  wheel  in  terms  of  the  face  of  a  clock,  as  indicated  in   the  accompanying  diagram.    For  example,  the  highest  point  in  the  wheel’s  cycle  is  the  12  o’clock  position,  and  the   point  farthest  to  the  right  is  the  3  o’clock  position. For  simplicity,  think  of  Al  and  Betty’s  location  as  they  ride  as  simply  a  point  on  the  circumference  of  the   wheel’s  circular  path.    That  is,  ignore  the  size  of  the  Ferris  wheel  seats,  Al  and  Betty’s  own  heights,  and  so  on. 1)  How  far  off  the  ground  are  Al  and  Betty  when  they  are   at  each  of  the  following  positions? a)  the  3:00  position b)  the  12:00  position c)  the  9:00  position d)  the  6:00  position 2)  How  far  off  the  ground  are  Al  and  Betty  when  they  are   at  the  2:00  position?

3)  Pick  two  other  clock  positions  and  Nigure  out  how  far  off  the  ground   Al  and  Betty  are  when  they  reach  each  of  these  positions

As The Ferris Wheel Turns The  Ferris  wheel  described  in  the  previous  problem  completes  a  rotation  in  40  seconds  and  turns  in  a   counterclockwise  direction.    And  remember,  that  C  =  2Πr. 1)  At  what  speed  are  Al  and  Betty  moving  (in  feet  per  second)  as  they  go  around  the  on  the  Ferris  wheel?

2)  Through  what  angle  (in  degrees)  does  the  Ferris  wheel  turn  each  second?    (The  rate  at  which  an  object  turns   is  called  angular  speed,  because  it  measures  how  fast  an  angle  is  changing.    Angular  speed  does  not  depend  on   the  radius.)

3)  How  many  seconds  does  it  take  for  the  platform  to  go  each  of  these  distances? a)  from  3:00  to  11:00 b)  from  3:00  to  7:00 c)  from  3:00  to  4:00   4)  What  is  Al  and  Betty’s  height  off  the  ground  at   each  of  these  times?   a)  1  second    after  passing  the  3:00  position b)  6  seconds  after  passing  the  3:00  position c)  10  seconds  after  passing  the  3:00  position d)  14  seconds  after  passing  the  3:00  position e)  23  seconds  after  passing  the  3:00  position f)  49  seconds  after  passing  the  3:00  position

5)  Write  a  general  formula  that  shows  their  height  as  a   function  of  time  since  they  went  past  the  3:00  position.

A Clear View The  Ferris  wheel  now  turns  with  a  constant  angular  speed  and  takes  24  seconds  for  a  complete  turn. There  is  a  13-­‐foot  fence  around  the  amusement  park,  but  once  you  get  above  the  fence,  there  is  a  wonderful   view. 1)  What  percentage  of  the  time  are  Al  and  Betty  above  the  height  of  the  fence?    (You  may  want  to  Nind   out  how  long  they  are  above  the  height  of  the  fence  during  each  complete  turn  of  the  Ferris  wheel.)

2)  How  would  the  answer  to  Question  1  change  if  the  period  were  different  from  24  seconds?

Graphing the Ferris Wheel 1)  Plot  individual  points  to  create  a  graph  showing  Al  and  Betty's  height,  h,  as  a  function  of  the  time  elapsed,   t.    Your  graph  should  show  the  Nirst  80  seconds  of  the  Ferris  wheel's  movement.    (Assume  the  Ferris  wheel   takes  40  seconds  to  make  a  compete  rotation.)

2)  Describe  in  words  how  this  graph  would  changeif  you  made  each  of  the  changes  described  below.    Treat   each  question  as  a  separate  problem,  changing  only  the  item  mentioned  in  that  problem  and  keeping  the  rest   of  the  information  as  in  Question  1. a)  How  would  the  graph  change  if  the  radius  of  the  Ferris  wheel  were  smaller?

b)  How  would  the  graph  change  if  the  Ferris  wheel  was  turning  faster  (that  is,  if  the  period  was  shorter)?

c)  How  would  the  graph  change  if  you  measured  height  with  respect  to  the  center  of  the  Ferris  wheel   instead  of  with  respect  to  the  ground?    (For  example,  Al  and  Betty  15  feet  off  the  ground,  you  would   treat  this  as  a  height  of  -­‐5  beacuse  15  feet  above  the  ground  is  5  feet  below  the  center  of  the  Ferris   wheel.)

Sand Castles Shelly  loves  to  build  elaborate  sand  castles  at  the  beach.    Her  big  problem  is  that  her  sand  castles  take  a  long   time  to  build,  and  they  often  get  swept  away  by  the  in-­‐coming  tide. Shelly  is  planning  another  trip  to  the  beach  next  week.    She  decides  to  pay  attention  to  the  tides  so  that  she  can   plan  her  castle-­‐building  and  have  as  much  time  as  possible. The  beach  slopes  gradually  up  from  the  ocean  toward  the  parking  lot.    Shelly  considers  the  waterline  to  be   “high”  if  the  water  comes  up  farther  up  the  beach,  leaving  less  sandy  area  available.    She  considers  the   waterline  to  be  “low”  if  there  is  more  sandy  area  visible  on  the  beach.    Shelly  likes  to  build  as  close  to  the   water  as  possible  because  the  damp  sand  is  better  for  building. According  to  Shelly’s  analysis,  the  level  of  the  water  on  the  beach  for  the  day  of  her  trip  will  Nit  the  equation:

w(t)  =  20sin  29t In  this  equation,  w(t)  represents  how  far  the  waterline  is  above  or  below  its  average  position.    The  distance  is   measured  in  feet,  and  t  represents  the  number  of  hours  elapsed  since  midnight. In  the  case  shown  in  the  accompanying  diagram,  the  water  has  come  up  above  its  average  position,  and  w(t)  is   positive.

Sand Castles 1) Graph  the  waterline  function  for  a  24-­‐hour  period. 2)  a. What  is  the  highest  up  on  the  beach  (compared  to  the  average  position)  that  the   waterline  will  be  during  the  day?    (This  is  called  high  tide,  for  you  landlubbers.) b. What  is  the  lowest  that  the  waterline  will  be  during  the  day?    (This  is  called  low  tide.) 3) Suppose  Shelly  plans  to  build  her  castle  right  on  the  average  waterline  just  as  the  water   has  moved  below  that  line.    How  much  time  will  she  have  to  build  her  castle  before  the   water  returns  and  destroys  her  work? 4) Suppose  Shelly  wants  to  build  her  castle  10  feet  below  the  average  waterline.    What  is  the   maximum  amount  of  time  she  can  arrange  to  have  to  make  her  castle? Suppose  Shelly  decides  she  needs  only  two  hours  to  build  and  admire  her  castle.    What  is   the  lowest  point  on  the  beach  where  she  can  build  it?

More Beach Adventures 1) After  spending  some  of  the  day  at  the  beach  building  sand  castles,  Shelly  wants  to  take  an   evening  with  a  friend  along  the  shoreline  (no,  really,  they’re  “just  friends.”) Shelly  knows  that  at  one  place  along  the  shore,  it  is  quite  rocky.    At  that  point,  the  rocks  jut  into  t he  ocean  so  that  in  order  to  pass  around  them,  a  person  has  to  walk  along  a  path  that  is  14  feet   below  the  average  waterline. Assume  that  Shelly  and  her  friend  don’t  want  tot  get  their  feet  wet.    Therefore,  they  need  to  take   their  walk  during  the  time  when  the  waterline  is  14  feet  or  more  below  the  average  waterline. What  is  the  time  period  during  which  they  can  take  their  walk? (Recall  that  the  position  of  the  waterline  over  the  course  of  the  day  is  given  by  the  equation   w(t)  =  20sin  29t  ,  where  the  distance  is  measured  in  feet  and  t  represents  the  number  of  hours   elapsed  since  midnight.) 2) Shelly  often  Ninds  herself  looking  for  number  whose  sine  is  a  given  value  (don’t  you?).    This   question  asks  you  to  do  the  same.    Your  solutions  should  all  be  between  -­‐360o  and  360o.    In  2a,   2b,  and  2c  Nind  exact  values  for  θ.    In  2d,  give  θ  to  the  nearest  degree. a. Find  three  values  of  θ,  other  than  15o,  such  that  sin  θ  =  sin  15o. b. Find  three  values  of  θ  such  that  sin  θ    =  sin  60o. c. Find  three  values  of  θ  such  that  sin  θ    =  0.5. d.   Find  three  values  of  θ  such  that  sin  θ    =  -­‐0.71.

Generalizing the Ferris Wheel If  Al  and  Betty  start  at  the  3:00  position,  with  the  Ferris  wheel  turning  at  counterclockwise  at  a  constant  angular   speed  of  9  degrees  per  second,  then  they  will  remain  in  the  Nirst  quadrant  through  t  =  10. During  this  time  interval,  their  x-­‐coordinate  is  given  by  the  formula  x  =  50  cos  9t. This  formula  speciNically  uses  the  fact  that  the  radius  is  50  feet  and  that  the  angular  speed  is  9  degrees  per   second.    But  the  right-­‐triangle  deNinition  of  the  cosine  function  only  applies  to  acute  angles,  so  this  formula  isn't   deNined  if  t  is  greater  than  10.    Your  task  in  this  activity  is  to  explore  how  to  extend  the  deNinition  of  the  cosine   function.

1)  Consider  the  case  t  =  12. a.  Find  Al  and  Betty's  x-­‐coordinate  when  t  =  12.    Express  your  answer  in  terms  of  the  cosine  of  some  acute   angle. b.  What  value  should  you  assign  to  cos  (9  ⋅  12)  so  that  the  formula  x  =  50  cos  9t  gives  your  answer  from   question  1a  when  you  substitute  12  for  t? 2)  Consider  the  case  t  =  26. a.  Find  Al  and  Betty's  x-­‐coordinate  when  t  =  26.    Express  your  answer  in  terms  of  the  cosine  of  some  acute   angle. b.  What  value  should  you  assign  to  cos  (9  ⋅  26)  so  that  the  formula  x  =  50  cos  9t  gives  your  answer  from   Question  1a  when  you  substitute  26  for  t? 3)  How  can  you  deNine  cos  θ  in  a  way  that  makes  sense  for  all  angles  and  gives  the  results  you  needed  in   Questions  1b  and  2b  (or  not  2b!)?

What's Your Cosine? You  have  seen  that  we  deNine  the  cosine  function  in  a   manner  similar  to  that  for  the  sine  function.    If  θ  is  any  angle,   we  draw  a  ray  from  the  origin,  making  a  counterclockwise   angle  of  that  size  with  the  positive  x-­‐axis,  pick  a  point  (x,  y)   on  the  ray  (other  than  the  origin),  and  deNine  r  as  the   distance  from  (x,  y)  to  the  origin,  so  r  =  √(x2  +  y2).    We  then   deNine  the  cosine  function  for  all  angles  by  the  equation   cos  θ  =  x/r As  with  the  sine  function,  this  deNinition  gives  the  same   values  for  acute  angles  as  the  right-­‐triangle  deNinition.    Also,   like  the  sine  function,  the  extended  cosine  function  can  give   the  same  value  for  different  angles. 1)  Draw  the  graph  of  the  function  deNined  by  the  equation  z  =  cos  θ   for  values  of  θ  from  -­‐360o  to  720o,  and  answer  these  questions. a.  What  is  the  amplitude  of  this  function? b.  What  is  the  period  of  this  function?    Why  is  the  cosine  periodic? c.  What  are  the  θ-­‐intercepts  of  the  graph? d.  What  values  of  θ  make  cos  θ  a  maximum?    What  values  of  θ   make  cos  θ  a  minimum?

2)   a.  Find  three  values  of  θ,  other  than  81o,  such  that  cos  θ  =  cos   81o. b.  Find  three  values  of  θ,  such  that  cos  θ  =  -­‐cos  20o. c.  Find  three  values  of  θ,  such  that  cos  θ  =  0.3. d.    Find  three  values  of  θ,  such  that  cos  θ  =  -­‐0.48.

Find the Ferris Wheel 1)  Imagine  that  the  equations  in  Questions  1a  and  1b  are  each  though  of  as  describing  the  x-­‐coordinate  of  a  rider   on  some  Ferris  wheel  in  terms  of  time,  where  the  rider  is  at  the  3:00  position  when  t  =  0.    (Here,  t  is  in  seconds   and  x  is  in  feet.) Give  the  radius,  period,  and  angular  speed  of  the  Ferris  wheel  that  each  expression  represents.    (Recall  that   angular  speed  is  the  rate  at  which  the  Ferris  wheel  turns  and  in  this  situation  is  given  in  degrees  per  second.) a.  x  =  25  cos  10t b.  x  =  100  cos  3t 2) a.  Write  an  expression  that  would  give  the  x-­‐coordinate  of  a  rider  on  a  Ferris  wheel  that  has  a  smaller  radius   than  the  Ferris  wheel  in  Question  1a  but  a  greater  angular  speed. b.  Describe  how  the  graph  for  the  expression  in  Question  2a  would  differ  from  the  graph  in  Question  1a.