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球环


SphericalRingSolid
SphericalRing

球环是一个球体,带有一个圆柱形,切割方式使得圆柱体球体的中心重合,也称为餐巾环。设球体半径R圆柱体半径r

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

 1/2L=sqrt(R^2-r^2)
(1)

半径为 r,加上半径为 R,高度为 L/2球带的两倍,得到:

S=2(2pirsqrt(R^2-r^2)+2piRsqrt(R^2-r^2))
(2)
=4pi(r+R)sqrt(R^2-r^2).
(3)

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。整个圆柱体体积为:

 V_(cylinder)=piLr^2,
(4)

上部段的体积为:

 V_(cap)=1/3pih^2(3R-h).
(5)

然后,钻一个圆柱形孔所移除的体积为:

V_(hole)=V_(cylinder)+2V_(cap)
(6)
=1/6pi(8R^3-L^3),
(7)

其中,表达式

R^2=r^2+(1/2L)^2
(8)
R=1/2L+h
(9)

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:

V_(ring)=V_(sphere)-V_(hole)
(10)
=4/3(R^2-r^2)^(3/2)
(11)
=1/6piL^3.
(12)

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 L 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 R,从而得出上述结果。

球环的质心在原点,均方(球面)半径为:

 <rho^2>=1/5(2r^2+3R^2),
(13)

关于原点的惯性矩由下式给出:

 I=[1/2MR^2-1/(40)ML^2 0 0; 0 1/2MR^2-1/(40)ML^2 0; 0 0 MR^2+3/(20)ML^2].
(14)

另请参阅

圆柱体, 球体, 球冠, 圆环体

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参考文献

Gardner, M. Hexaflexagons and Other Mathematical Diversions: The First Scientific American Book of Puzzles and Games. New York: Simon and Schuster, 1959.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

球环

请引用为

Weisstein, Eric W. "球环。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/SphericalRing.html

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