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圆柱段


圆柱段,有时也称为截断圆柱体,是从圆柱体被两个(或多个)平面切割而成的立体。

如果有两个切割平面,一个垂直于圆柱体的轴线,另一个相对于它倾斜,则所得的立体被称为圆柱楔形体。

CylindricalSectionSchem
CylindricalSection

如果平面相对于圆形横截面倾斜,但不切割底部底面,则所得的圆柱段具有一个圆形顶盖和一个椭圆形顶盖(见上图)。考虑一个半径为 r,最小和最大高度分别为 h_1h_2 的圆柱体。建立一个坐标系,使下顶盖位于 xy 平面内,原点位于下顶盖的中心,x 轴 x 穿过下顶盖的中心,平行于上顶盖半长轴的投影。那么,在距离 x 处,立体的高度由下式给出

通过注意到两个这样的截面可以组合在一起形成一个半径为 R,高度为 h_1+h_2 的圆柱体,可以立即获得圆柱截面的体积。因此,原始楔形的体积是高度为 h_1+h_2 的圆柱体体积的一半,即:

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

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。体积可以通过积分直接求得,注意到极坐标和笛卡尔坐标中的高度由下式给出

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)

体积也可以通过对平行于 yz 平面的平面截面进行积分来计算,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)

类似地,体积加权坐标由下式给出

<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,质心由下式给出

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)

(参见 Harris 和 Stocker 1998, p. 103 中使用的奇怪参数化)。

CylindricalSegmentTop

由于顶盖是一个椭圆,其半长轴和半短轴分别为

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

其表面积

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

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。

侧表面积由下式给出

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

(Harris 和 Stocker 1998, p. 103)。

CylindricalSegment

从长度为 L,半径为 R 的水平圆柱体上切割下来的,被一个平行于圆柱体对称轴的平面定向切割的立体(即,部分填充液体的水平圆柱形罐的一部分)被称为水平圆柱段。与此形状相关的常见问题是四分之一罐问题,即确定将其填充四分之一满所需的气体量。


另请参阅

扇形, 圆弓形, 圆锥曲线, 圆柱体, 柱状截面, 圆柱楔形体, 水平圆柱段, 四分之一罐问题, 球冠

使用 探索

参考文献

Harris, J. W. 和 Stocker, H. 数学和计算科学手册。 纽约: Springer-Verlag, 1998.

请引用本文为

Weisstein, Eric W. "圆柱段。" 来自 MathWorld-- 资源。 https://mathworld.net.cn/CylindricalSegment.html

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