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圓弓形


CircularSegment

圓弓形是圓盤的一部分,其上邊界是(圓),下邊界是,弦對著圓心角 theta<pi 弧度 (180 degrees),如上圖陰影區域所示。整個楔形區域被稱為扇形

圓弓形在 Wolfram 語言中以如下方式實現DiskSegment[{x, y}, r, {q1, q2}]. 橢圓弓形也以類似方式實現為DiskSegment[{x, y}, {r1, r2}, {q1, q2}].

R的半徑,a長,s弧長h 為弧形部分的高度,r 為三角形部分的高度。則半徑為

 R=h+r,
(1)

弧長為

 s=Rtheta,
(2)

高度 r

r=Rcos(1/2theta)
(3)
=1/2acot(1/2theta)
(4)
=1/2sqrt(4R^2-a^2),
(5)

弦的長度為

a=2Rsin(1/2theta)
(6)
=2rtan(1/2theta)
(7)
=2sqrt(R^2-r^2)
(8)
=2sqrt(h(2R-h)).
(9)

從初等三角學可知, theta 服從以下關係式

theta=s/R
(10)
=2cos^(-1)(r/R)
(11)
=2tan^(-1)(a/(2r))
(12)
=2sin^(-1)(a/(2R)).
(13)

(陰影)弓形的面積 A 可以簡單地透過扇形(整個楔形部分)的面積減去底部三角形部分的面積得到,

 A=A_(sector)-A_(isosceles triangle).
(14)

代入得到

A=1/2R^2(theta-sintheta)
(15)
=1/2(Rs-ar)
(16)
=R^2cos^(-1)(r/R)-rsqrt(R^2-r^2)
(17)
=R^2cos^(-1)((R-h)/R)-(R-h)sqrt(2Rh-h^2),
(18)

其中使用了等腰三角形面積關於多邊形頂點角的公式 (Beyer 1987)。這些公式在確定圓柱弓形(即臥式圓柱罐)中流體體積的常見情況下得到應用,基於罐中流體的高度。

面積也可以透過積分直接求得,如下

 A=int_(-Rsin(theta/2))^(Rsin(theta/2))int_(Rcos(theta/2))^(sqrt(R^2-x^2))dydx.
(19)

由此得出 y 的加權平均值為

<y>=int_(-Rsin(theta/2))^(Rsin(theta/2))int_(Rcos(theta/2))^(sqrt(R^2-x^2))ydydx
(20)
=2/3R^3sin^3(1/2theta),
(21)

因此圓弓形的幾何質心

 y^_=(<y>)/A=(4Rsin^3(1/2theta))/(3(theta-sintheta)).
(22)

檢查表明,這符合半圓的正確極限 y^_=4R/(3pi) (半圓 theta=pi) 以及弓形頂部質點的極限 y^_=R (theta->0)。

CircularSegmentQuarter

找到使得圓弓形(左圖)面積等於圓的 1/4(右圖)的高度 h 的值,有時被稱為四分之一罐問題

弧長和麵積的近似公式為

 s approx sqrt(c^2+(16)/3h^2),
(23)

0 degrees<=theta<=90 degrees 範圍內精確到 0.3%,以及

 A approx 2/3ch+(h^3)/(2c),
(24)

0 degrees<=theta<=150 degrees 範圍內精確到 0.1%,在 150 degrees<=theta<=180 degrees 範圍內精確到 0.8% (Harris and Stocker 1998)。


另請參閱

, 圓-圓相交, 扇形, 圓柱弓形, 臥式圓柱弓形, 透鏡, 拋物弓形, 四分之一罐問題, 勒洛三角形, 矢高, 球弓形

使用 探索

參考文獻

Beyer, W. H. (編). CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 頁 125, 1987.Fukagawa, H. 和 Pedoe, D. "Segments of a Circle." 見 §1.6 in Japanese Temple Geometry Problems. Winnipeg, Manitoba, Canada: Charles Babbage Research Foundation, 頁 14-15 和 88-92, 1989.Harris, J. W. 和 Stocker, H. "Segment of a Circle." 見 §3.8.6 in Handbook of Mathematics and Computational Science. New York: Springer-Verlag, 頁 92-93, 1998.Kern, W. F. 和 Bland, J. R. Solid Mensuration with Proofs, 2nd ed. New York: Wiley, 頁 4, 1948.Sloane, N. J. A. 序列 A133742 在 "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."(整數序列線上百科全書)

在 中被引用

圓弓形

請引用為

Weisstein, Eric W. "Circular Segment." 來自 --A Resource. https://mathworld.tw/CircularSegment.html

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