什麼是弓形?
弓形是指一條直線(也就是弦)將圓「切」出來的那一塊區域,也就是介於弦與上方弧線之間、呈拱形的彎曲面積。描述弓形最自然的方式,就是用圓的半徑 r 與弓形高 h(又稱矢高),矢高指的是從弦到弧的最大垂直距離。這完全是純幾何運算,適用於任何單位;只要 r 與 h 採用相同的長度單位,算出的面積就會是該單位的平方。
如何使用本計算器
輸入半徑 r 與弓形高 h。高必須滿足 \(0 < h \le 2r\):當 \(h = r\) 時為半圓,當 \(h = 2r\) 時弓形即為整個圓。接著選擇要顯示的有效位數(這只影響顯示結果,不會改變實際計算)。本工具會回傳弓形面積 S、以弧度與度數表示的圓心角 \(\theta\)、弧長 L,以及弦長 c。
公式說明
首先由高求出圓心角:
$$\theta = 2\arccos\!\left(1 - \tfrac{h}{r}\right)$$弧長為 \(L = r\cdot\theta\),弦長為 \(c = 2\sqrt{h(2r - h)}\)。面積則結合了扇形項與一個三角形修正項:
$$S = \frac{\theta}{2}\,r^{2} - (r - h)\sqrt{h(2r - h)}$$當 \(h > r\) 時,\((r - h)\) 會變成負值,正好能把半圓以外多出來的面積加進去。
範例演算
假設 \(r = 1\)、\(h = 0.5\)。則 \(1 - h/r = 0.5\),所以
$$\theta = 2\arccos(0.5) = 2.0943951 \text{ 弧度} = 120°$$弧長 \(L = 1 \times 2.0943951 = 2.0943951\)。由於 \(h(2r - h) = 0.75\),\(\sqrt{0.75} = 0.8660254\),因此 \(c = 1.7320508\)。最後
$$S = 1.0471976 - 0.5\cdot 0.8660254 = 0.6141848$$常見問題
什麼是矢高(sagitta)?就是弓形高 h,也就是從弦的中點到弧的垂直距離。
如果 h 等於 2r 會怎樣?此時弓形變成整個圓:\(\theta = 2\pi\),弦長 \(c = 0\),面積 \(S = \pi r^{2}\)。
面積有可能超過半圓嗎?會的。當 \(h > r\) 時,弓形就大於半個圓,而上述公式會自動把這部分計算進去。