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輸入計算

數學公式

Show calculation steps (2)
  1. Sag

    Sag: 懸鏈線計算器

    Sag is the height above the lowest point a

  2. Slope

    Slope: 懸鏈線計算器

    Slope is the derivative of the curve at x

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結果

曲線高度 y
11.2763
y = a · cosh(x / a)
自頂點起的垂度(y − a) 1.2763
斜率 dy/dx = sinh(x / a) 0.5211

什麼是懸鏈線?

懸鏈線(catenary)是一條柔軟的鏈條或纜繩,只在兩端被固定、其餘部分僅靠自身重量自然下垂時所形成的曲線。它乍看之下很像拋物線,但真正描述這條曲線的,其實是雙曲餘弦函數 \( y = a \cdot \cosh\!\left(\frac{x}{a}\right) \)。常數 a 決定曲線的「深淺」:a 越大,曲線越平緩、越繃緊;a 越小,下垂幅度就越深。

對稱懸鏈線懸掛在兩個等高支點之間,最低頂點位於y軸上
懸鏈線是自由懸掛的鏈條在重力作用下形成的形狀,在中央頂點處最低。

計算器使用說明

請輸入懸鏈線常數 a,以及從最低點(頂點)量起的水平位置 x。計算器會回傳曲線高度 y、相對頂點的垂度(\( y - a \)),以及該點的斜率(\( \frac{dy}{dx} \))。頂點位於 \( x = 0 \) 處,此時 \( y = a \),斜率為 \( 0 \)。

公式解析

高度為 $$ y = a \cdot \cosh\!\left(\frac{x}{a}\right) $$ 其中 cosh 為雙曲餘弦函數。對其微分一次即得斜率 $$ \frac{dy}{dx} = \sinh\!\left(\frac{x}{a}\right) $$ 在頂點處(\( x = 0 \)),\( \cosh(0) = 1 \),因此 \( y = a \);\( \sinh(0) = 0 \),因此切線呈水平。相對最低點的垂度,就只是 \( y - a \)。

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懸鏈線,標註了位置x處的高度y、從頂點算起的下垂量,以及一條表示斜率的切線
高度y、從頂點算起的下垂量,以及在選定水平位置x處切線的斜率。

範例演算

假設 \( a = 10 \)、\( x = 5 \),則 \( \frac{x}{a} = 0.5 \)。\( \cosh(0.5) \approx 1.12763 \),所以 $$ y = 10 \times 1.12763 \approx 11.2763 $$ 垂度為 \( y - a \approx 1.2763 \),斜率則為 \( \sinh(0.5) \approx 0.52110 \)。

常見問題

懸鏈線和拋物線一樣嗎?不一樣。兩者在最低點附近看起來很像,但自然下垂的鏈條遵循的是 cosh 函數;而拋物線(\( y = kx^2 \))描述的是沿水平方向均勻分布的荷載,例如吊橋的橋面。

常數 a 代表什麼?它等於水平張力除以纜繩單位長度的重量,同時也是頂點相對於準線(directrix)的高度。

為什麼 a 不能為零?由於公式中需要將 x 除以 a,因此 \( a = 0 \) 時無定義;遇到這種情況,計算器會回傳零。

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