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球状体


OblateSpheroid
ProlateSpheroid

球状体是一种椭球体,它具有两个相等长度的轴,使其成为旋转曲面。按照惯例,两个不同的轴长分别表示为 ac,球状体的方向被设定为使其旋转对称轴沿 z-轴,从而得到参数表示

x=asinvcosu
(1)
y=asinvsinu
(2)
z=ccosv,
(3)

其中 u in [0,2pi),以及 v in [0,pi]

球状体的笛卡尔方程为

 (x^2+y^2)/(a^2)+(z^2)/(c^2)=1.
(4)

如果 a>c,则该球状体称为扁球状(左图)。如果 a<c,则该球状体是长球状(右图)。如果 a=c,则该球状体退化为球体

在上述参数化中,第一基本形式的系数为

E=a^2sin^2v
(5)
F=0
(6)
G=1/2[a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)],
(7)

第二基本形式的系数为

e=(sqrt(2)acsin^2v)/(sqrt([a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)]))
(8)
f=0
(9)
g=(sqrt(2)ac)/(sqrt([a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)])).
(10)

高斯曲率由下式给出

 K(u,v)=(4c^2)/([a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)]^2),
(11)

隐式高斯曲率由下式给出

 K(x,y,z)=(c^6)/([c^4+(a^2-c^2)z^2]^2),
(12)

平均曲率由下式给出

 H(u,v)=(c[3a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)])/(sqrt(2)a[a^2+c^2+(a^2-c^2)cos(2v)]^(3/2)).
(13)

球状体的表面积可以多种方式表示为

S=2pia^2+(pic^2)/(e_1)ln((1+e_1)/(1-e_1))
(14)
=2pia^2+(2piac)/(e_2)sin^(-1)e_2
(15)
=2pi(a^2+(c^2)/(e_1)tanh^(-1)e_1)
(16)
=2pi[a^2+c^2_2F_1(1/2,1;3/2;1-(c^2)/(a^2))],
(17)

其中

e_1=sqrt(1-(c^2)/(a^2))
(18)
e_2=sqrt(1-(a^2)/(c^2))
(19)

以及 _2F_1(a,b;c;z) 是一个超几何函数

球状体的体积可以从一般椭球体的公式计算得出,其中 b=a

V=int_(-csqrt(1-(x^2+y^2)/a^2))^(csqrt(1-(x^2+y^2)/a^2))int_(-sqrt(a^2-x^2))^(sqrt(a^2-x^2))int_(-a)^adxdydz
(20)
=4/3pia^2c
(21)

(Beyer 1987, p. 131)。

一个球状体的惯性张量,其 z-轴沿对称轴,由下式给出

 I=[1/5M(a^2+c^2) 0 0; 0 1/5M(a^2+c^2) 0; 0 0 2/5Ma^2].
(22)

另请参阅

达尔文-德西特球状体, 椭球体, 纬度, 经度, 北极, 扁球状体, 长球状体, 南极, 球体

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参考文献

Beyer, W. H. CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 1987.

请引用为

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

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