什麼是弓形?
弓形是圓裡那塊像「弓」一樣的區域,由一條直的弦與它所截出的弧所圍成。描述弓形只需要兩個容易量測的數值:弦長 c(弓形底部的直線長度)與高度 h(又稱矢高,sagitta),也就是從弦的中點到弧頂的最大垂直距離。本計算器只要輸入 c 與 h,就能算出弓形面積 S、弧所對應的圓心角(同時以弧度與角度表示)、弧長 L,以及該圓的半徑 r。
使用方式
輸入弦長與弓形高度,單位可任選,只要前後一致即可(公尺、英吋、像素都行)。所有長度類的結果(L 與 r)都會以相同單位輸出,面積 S 為該單位的平方,角度則同時以弧度與角度呈現。請注意,高度 \(h\) 必須大於零。
公式說明
首先由弦長關係式 \(c = 2\sqrt{h(2r - h)}\) 反推出半徑,整理後即為常見的矢高公式 $$r = \frac{h}{2} + \frac{c^{2}}{8h}$$ 接著圓心角為 $$\theta = 2\cos^{-1}\!\left(1 - \frac{h}{r}\right)$$ 弧長為 \(L = r\cdot\theta\),而弓形面積為 $$S = \frac{\theta}{2}\cdot r^{2} - (r - h)\cdot\sqrt{h(2r - h)}$$ 由於 \(\sqrt{h(2r - h)}\) 恰好等於 \(c/2\),因此面積也可寫成 $$S = \frac{\theta}{2}\cdot r^{2} - (r - h)\cdot\frac{c}{2}$$
實例演算
以 \(c = 1.2\)、\(h = 0.5\) 為例:\(r = 0.25 + 1.44/4 = 0.61\)。接著 \(1 - h/r = 0.180328\),所以 \(\theta = 2\cdot\arccos(0.180328) = 2.778906\) 弧度 \(= 159.22^{\circ}\)。弧長為 \(L = 0.61 \times 2.778906 = 1.695133\)。由於 \(\sqrt{0.5\cdot 0.72} = 0.6\),面積為 $$S = 1.389453\cdot 0.3721 - 0.11\cdot 0.6 = 0.516916 - 0.066 = \mathbf{0.450916}$$
常見問題
當 h 等於 r 時會怎樣?此時弓形恰好是半圓,\(\theta = \pi\)(180°)。
h 可以大於 r 嗎?可以——這時弓形會大於半圓。只要 \(h \le 2r\),公式依然成立;當 \(h = 2r\) 時,弓形就成為整個圓(\(\theta = 2\pi\))。
該使用什麼單位?任何一種長度單位皆可,但前後務必一致。結果會自動沿用該單位(長度、長度平方與角度)。