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圓柱段


圓柱段,有時也稱為截斷圓柱體,是從圓柱體被兩個(或多個)平面切割而成的立體。

如果有兩個切割平面,一個垂直於圓柱體的軸線,另一個相對於它傾斜,則所得的立體被稱為圓柱楔形體。

CylindricalSectionSchem
CylindricalSection

如果平面相對於圓形橫截面傾斜,但不切割底部底面,則所得的圓柱段具有一個圓形頂蓋和一個橢圓形頂蓋(見上圖)。考慮一個半徑為 r,最小和最大高度分別為 h_1h_2 的圓柱體。建立一個座標系,使下頂蓋位於 xy 平面內,原點位於下頂蓋的中心,x 軸 x 穿過下頂蓋的中心,平行於上頂蓋半長軸的投影。那麼,在距離 x 處,立體的高度由下式給出

透過注意到兩個這樣的截面可以組合在一起形成一個半徑為 R,高度為 h_1+h_2 的圓柱體,可以立即獲得圓柱截面的體積。因此,原始楔形的體積是高度為 h_1+h_2 的圓柱體體積的一半,即:

 V=1/2pir^2(h_1+h_2)
(1)

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。體積可以透過積分直接求得,注意到極座標和笛卡爾座標中的高度由下式給出

h(x)=x/(2r)(h_2-h_1)+1/2(h_1+h_2)
(2)
h(r,theta)=h_1+1/2(1+r/Rcostheta)(h_2-h_1)
(3)
h(x,y)=h_1+1/2(1+x/R)(h_2-h_1),
(4)

so

V=int_0^Rint_0^(2pi)int_0^(h(r,theta))rdrdthetadz
(5)
=int_(-R)^Rint_(-sqrt(R^2-x^2))^(sqrt(R^2-x^2))int_0^(h(x,y))dxdydz
(6)
=1/2piR^2(h_1+h_2)
(7)

體積也可以透過對平行於 yz 平面的平面截面進行積分來計算,如下所示

V=2int_(-R)^Rsqrt(R^2-x^2)[x/(2R)(h_2-h_1)+1/2(h_1+h_2)]
(8)
=int_(-R)^Rsqrt(R^2-x^2)[x/R(h_2-h_1)+(h_1+h_2)]
(9)
=1/2piR^2(h_1+h_2).
(10)

類似地,體積加權座標由下式給出

<x>=1/8piR^3(h_2-h_1)
(11)
<y>=0
(12)
<z>=1/(32)piR^2(5h_1^2+6h_1h_2+5h_2^2),
(13)

因此,質心由下式給出

x^_=(<x>)/V=(R(h_2-h_1))/(4(h_1+h_2))
(14)
y^_=(<y>)/V=0
(15)
z^_=(<z>)/V=(5h_1^2+6h_1h_2+5h_2^2)/(16(h_1+h_2)),
(16)

(參見 Harris 和 Stocker 1998, p. 103 中使用的奇怪引數化)。

CylindricalSegmentTop

由於頂蓋是一個橢圓,其半長軸和半短軸分別為

a=1/2sqrt((2R)^2+(h_2-h_1)^2)
(17)
=Rsectheta
(18)
b=R,
(19)

其表面積

S_T=piab
(20)
=piRsqrt(R^2+1/4(h_2-h_1)^2)
(21)
=piR^2sectheta
(22)

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。

側表面積由下式給出

S_L=piRint_0^(2pi)h(R,theta)dtheta
(23)
=piR(h_1+h_2)
(24)

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。

CylindricalSegment

從長度為 L,半徑為 R 的水平圓柱體上切割下來的,被一個平行於圓柱體對稱軸的平面定向切割的立體(即,部分填充液體的水平圓柱形罐的一部分)被稱為水平圓柱段。與此形狀相關的常見問題是四分之一罐問題,即確定將其填充四分之一滿所需的氣體量。


另請參閱

扇形, 圓弓形, 圓錐曲線, 圓柱體, 柱狀截面, 圓柱楔形體, 水平圓柱段, 四分之一罐問題, 球冠

使用 探索

參考文獻

Harris, J. W. 和 Stocker, H. 數學和計算科學手冊。 紐約: Springer-Verlag, 1998.

請引用本文為

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

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