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圆弓形


CircularSegment

圆弓形是圆盘的一部分,其上边界是(圆),下边界是,弦对着圆心角 theta<pi 弧度 (180 degrees),如上图阴影区域所示。整个楔形区域被称为扇形

圆弓形在 Wolfram 语言中以如下方式实现DiskSegment[{x, y}, r, {q1, q2}]. 椭圆弓形也以类似方式实现为DiskSegment[{x, y}, {r1, r2}, {q1, q2}].

R的半径,a长,s弧长h 为弧形部分的高度,r 为三角形部分的高度。则半径为

 R=h+r,
(1)

弧长为

 s=Rtheta,
(2)

高度 r

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

弦的长度为

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

从初等三角学可知, theta 服从以下关系式

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

(阴影)弓形的面积 A 可以简单地通过扇形(整个楔形部分)的面积减去底部三角形部分的面积得到,

 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积关于多边形顶点角的公式 (Beyer 1987)。这些公式在确定圆柱弓形(即卧式圆柱罐)中流体体积的常见情况下得到应用,基于罐中流体的高度。

面积也可以通过积分直接求得,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 的加权平均值为

<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)

因此圆弓形的几何质心

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

检查表明,这符合半圆的正确极限 y^_=4R/(3pi) (半圆 theta=pi) 以及弓形顶部质点的极限 y^_=R (theta->0)。

CircularSegmentQuarter

找到使得圆弓形(左图)面积等于圆的 1/4(右图)的高度 h 的值,有时被称为四分之一罐问题

弧长和面积的近似公式为

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

0 degrees<=theta<=90 degrees 范围内精确到 0.3%,以及

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

0 degrees<=theta<=150 degrees 范围内精确到 0.1%,在 150 degrees<=theta<=180 degrees 范围内精确到 0.8% (Harris and Stocker 1998)。


另请参阅

, 圆-圆相交, 扇形, 圆柱弓形, 卧式圆柱弓形, 透镜, 抛物弓形, 四分之一罐问题, 勒洛三角形, 矢高, 球弓形

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参考文献

Beyer, W. H. (编). CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 页 125, 1987.Fukagawa, H. 和 Pedoe, D. "Segments of a Circle." 见 §1.6 in Japanese Temple Geometry Problems. Winnipeg, Manitoba, Canada: Charles Babbage Research Foundation, 页 14-15 和 88-92, 1989.Harris, J. W. 和 Stocker, H. "Segment of a Circle." 见 §3.8.6 in Handbook of Mathematics and Computational Science. New York: Springer-Verlag, 页 92-93, 1998.Kern, W. F. 和 Bland, J. R. Solid Mensuration with Proofs, 2nd ed. New York: Wiley, 页 4, 1948.Sloane, N. J. A. 序列 A133742 在 "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."(整数序列在线百科全书)

在 Wolfram|Alpha 中被引用

圆弓形

请引用为

Weisstein, Eric W. "Circular Segment." 来自 MathWorld--A Wolfram Web Resource. https://mathworld.net.cn/CircularSegment.html

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