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球体-球体相交


SphereSphereInterGraphic
SphereSphereIntersection

设两个球体的半径 Rr 沿 x 定位,中心分别位于 (0,0,0)(d,0,0)。不足为奇的是,该分析与 圆-圆相交 的情况非常相似。两个球体的方程为

x^2+y^2+z^2=R^2
(1)
(x-d)^2+y^2+z^2=r^2.
(2)

结合 (1) 和 (2) 得到

 (x-d)^2+(R^2-x^2)=r^2.
(3)

两边同乘并重新排列得到

 x^2-2dx+d^2-x^2=r^2-R^2.
(4)

求解 x 得到

 x=(d^2-r^2+R^2)/(2d).
(5)

球体的交集因此是一条曲线,位于平行于 yz 平面的 平面 上,且具有单个 x 坐标。将其代回 (◇) 得到

y^2+z^2=R^2-x^2=R^2-((d^2-r^2+R^2)/(2d))^2
(6)
=(4d^2R^2-(d^2-r^2+R^2)^2)/(4d^2),
(7)

这是一个半径

a=1/(2d)sqrt(4d^2R^2-(d^2-r^2+R^2)^2)
(8)
=1/(2d)[(-d+r-R)(-d-r+R)(-d+r+R)(d+r+R)]^(1/2).
(9)

可以通过将两个球冠相加来找到两个球体共有的三维透镜体积球体中心到球冠底部的距离为

d_1=x
(10)
d_2=d-x,
(11)

因此球冠的高度为

h_1=R-d_1=((r-R+d)(r+R-d))/(2d)
(12)
h_2=r-d_2=((R-r+d)(R+r-d))/(2d).
(13)

对于半径R^'球体,高度为 h^'球冠体积

 V(R^',h^')=1/3pih^('2)(3R^'-h^').
(14)

R_1=RR_2=r 并将两个球冠相加得到

V=V(R_1,h_1)+V(R_2,h_2)
(15)
=(pi(R+r-d)^2(d^2+2dr-3r^2+2dR+6rR-3R^2))/(12d).
(16)

d=r+R 时,此表达式给出 V=0,这是必然的。在特殊情况 r=R 下,体积简化为

 V=1/(12)pi(4R+d)(2R-d)^2.
(17)

为了使两个相等球体的重叠部分等于每个球体体积的一半,球体必须分隔开一定的距离

d=(x^3-12x+8)_2
(18)
=2sqrt(3)sin(2/9pi)-2cos(2/9pi)
(19)
=0.694592710...
(20)

(OEIS A133749) 乘以它们的半径,其中 (P(x))_n 是一个多项式根

球体 R 位于球体 r 内部的表面积等于球体 r大圆,前提是 r<=2R (Kern and Blank 1948, p. 97)。


参见

苹果表面, 圆-圆相交, 圆柱体-球体相交, 双气泡, 透镜, 勒洛四面体, 球体空间划分, 球体

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参考文献

Kern, W. F. and Bland, J. R. Solid Mensuration with Proofs, 2nd ed. New York: Wiley, p. 97, 1948.Sloane, N. J. A. Sequence A133749 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

在 Wolfram|Alpha 上被引用

球体-球体相交

引用为

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

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