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球环是一个球体,带有一个圆柱形孔,切割方式使得圆柱体和球体的中心重合,也称为餐巾环。设球体的半径为 ,圆柱体的半径为
。
从右图可以看出,球环的表面积等于一个半高的圆柱体的两倍,其中半高为
(1)
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半径为 ,加上半径为
,高度为
的球带的两倍,得到:
(2)
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(3)
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注意,如上图所示,切出的孔由一个圆柱形部分加上两个球冠组成。整个圆柱体的体积为:
(4)
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上部段的体积为:
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(6)
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其中,表达式
(8)
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(9)
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从三角学获得,已被用于重新表达结果。
球环本身的体积由下式给出:
(10)
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(12)
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通过最后一个方程,仅给定孔的长度即可计算出任何中心钻孔球体的剩余体积。特别地,如果球体变大而 保持恒定,则环的周长变大,体积增加,但环变窄,体积减小。这两种效应完全相互抵消,这导致 Gardner(1959,第 113-121 页)称此为一个“不可思议的问题”。
也可以通过查看垂直于轴线的横截面来更轻松地找到体积。然后发现横截面的面积不依赖于 ,从而得出上述结果。
球环的质心在原点,均方(球面)半径为:
(13)
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关于原点的惯性矩由下式给出:
(14)
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