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懸鏈線


Catenary

當柔性線纜或鏈條兩端固定並受均勻重力作用時所呈現的曲線。“懸鏈線”一詞源於拉丁語中表示“鏈條”的詞。1669年,榮吉烏斯推翻了伽利略的斷言,即懸掛在重力下的鏈條曲線將是拋物線 (MacTutor Archive)。這條曲線也被稱為 alysoid 和 chainette。該方程由萊布尼茨、惠更斯和約翰·伯努利於 1691 年在回應雅各布·伯努利的挑戰時獲得。

惠更斯於 1690 年在一封給萊布尼茨的信中首次使用“懸鏈線”一詞,而大衛·格雷戈裡於 1690 年撰寫了關於懸鏈線的論文 (MacTutor Archive)。如果你沿著直線滾動拋物線,它的焦點會描繪出一條懸鏈線。正如尤拉在 1744 年證明的那樣,懸鏈線也是旋轉時產生最小表面積表面(懸鏈面)的曲線,對於給定的邊界而言。

CatenaryCurves

懸鏈線的引數方程由下式給出

x(t)=t
(1)
y(t)=1/2a(e^(t/a)+e^(-t/a))
(2)
=acosh(t/a),
(3)

其中 t=0 對應於頂點,而 a 是一個引數,決定了懸鏈線“張開”的速度。上面展示了 a 值從 0.05 到 1.00,步長為 0.05 的懸鏈線。

弧長曲率切線角(對於 t>0)由下式給出

s(t)=asinh(t/a)
(4)
kappa(t)=1/asech^2(t/a)
(5)
phi(t)=2tan^(-1)[tanh(t/(2a))].
(6)

斜率與從對稱中心測量的弧長成正比。

Cesàro 方程

 rhoa=s^2+a^2.
(7)
CatenaryArch

聖路易斯拱門非常近似於倒置的懸鏈線,但它具有非零厚度和變化的橫截面積(底部較厚;頂部較薄)。質心底部半長為 L=299.2239 英尺,高度為 625.0925 英尺,頂部橫截面積為 125.1406 平方英尺,底部橫截面積為 1262.6651 平方英尺。

懸鏈線也給出了規則多邊形“輪子”可以平穩行駛的道路(滾輪線)的形狀。對於規則 n-gon,相應懸鏈線的笛卡爾方程為

 y=-Acosh(x/A),
(8)

其中

 A=Rcot(pi/n).
(9)

另請參閱

變分法, 懸鏈面, 林德洛夫定理, 滾輪線, 旋轉曲面

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參考文獻

Beyer, W. H. CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 214, 1987.Geometry Center. "The Catenary." http://www.geom.umn.edu/zoo/diffgeom/surfspace/catenoid/catenary.html.Gray, A. "The Evolute of a Tractrix is a Catenary." §5.3 in Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 102-103, 1997.Lawrence, J. D. A Catalog of Special Plane Curves. New York: Dover, pp. 195 和 199-200, 1972.Lockwood, E. H. "The Tractrix and Catenary." Ch. 13 in A Book of Curves. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 118-124, 1967.MacTutor History of Mathematics Archive. "Catenary." http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Curves/Catenary.html.National Park Service. "Arch History and Architecture: Catenary Curve Equation." http://www.nps.gov/jeff/equation.htm.Pappas, T. "The Catenary & the Parabolic Curves." The Joy of Mathematics. San Carlos, CA: Wide World Publ./Tetra, p. 34, 1989.Smith, D. E. History of Mathematics, Vol. 2: Special Topics of Elementary Mathematics. New York: Dover, p. 327, 1958.Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, pp. 247-249, 1999.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, pp. 26-27, 1991.Yates, R. C. "Catenary." A Handbook on Curves and Their Properties. Ann Arbor, MI: J. W. Edwards, pp. 12-14, 1952.

請引用為

Weisstein, Eric W. "Catenary." 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Catenary.html

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