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圆柱-球体相交


圆柱体球体相交形成的曲线被称为维维亚尼曲线

CylinderSpherePOV
CylinderSphereMathematica

在一个1825年的算额问题中,提出了求半径为r且与半径为R球体内切的圆柱体侧面表面积的问题。

CylinderSphereCurve
CylinderSphereSurface

确定解决方案的最简单方法是解以下联立方程

 x^2+y^2+z^2=R^2
(1)
 y^2+[z-(R-r)]^2=r^2
(2)

求解xy,

x=+/-sqrt(2(R-r)(R-z))
(3)
y=+/-sqrt((R-z)(2r-R+z)).
(4)

这些给出了在这种情况下(左图)维维亚尼曲线参数方程。然后可以通过构造一系列弯曲的线段(右图)找到表面积。圆柱体表面在高度为z处的弧长元素由下式给出

ds=sqrt(1+((dy)/(dz))^2)dz
(5)
=r/(sqrt((R-z)(2r-R+z)))dz.
(6)

然后,表面积的四分之一为

S_(1/4)=intx(z)ds
(7)
=int_(R-2r)^Rsqrt(2(R-r)(R-z))(rdz)/(sqrt((R-z)(2r-R-z)))
(8)
=int_(R-2r)^Rrsqrt((2(R-r))/(2r-R+z))dz,
(9)

其中需要小心处理下限,

S_(1/4)=lim_(r^'->r^-)4r[sqrt(r(R-r))-sqrt((R-r)(r-r^'))]
(10)
=4r^(3/2)sqrt(R-r).
(11)

表面积

 S=4S_(1/4)=16r^(3/2)sqrt(R-r),
(12)

Rothman (1998) 通过更迂回的几何论证获得的结果。(请注意,Rothman 原文发表的答案不正确;更正后的答案已发布在文章的 Internet 版本上。)


另请参阅

圆柱体, 球体, 球体-球体相交, 维维亚尼曲线

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参考文献

Rothman, T. "日本寺庙几何学。" 科学美国人 278, 85-91, 1998 年 5 月。

在 Wolfram|Alpha 上被引用

圆柱-球体相交

引用为

Weisstein, Eric W. "圆柱-球体相交。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Cylinder-SphereIntersection.html

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