這個計算機的功能
本工具用來計算一個被傾斜平面切割的正圓錐之幾何量。切割平面繞著圓錐中心軸上的某一點旋轉,因此會斜斜地切過圓錐:一側往上揚、另一側往下沉。我們保留的立體是下半部,下方以圓形底面為界,上方則以一個傾斜的橢圓切面為界。計算結果會輸出三個量:保留下來的體積 \(V\)、斜切面面積 \(S_u\),以及底面積 \(S_B\)。整套運算都是純粹的立體幾何,因此放在任何地方計算結果都一樣,只要全程使用同一個一致的長度單位即可。
使用方式
輸入圓錐高度 \(H\)、底面半徑 \(R\)、切割平面與軸線交會處之水平橫截面半徑 \(r\),以及切割角度 \(\theta\)(以度為單位)。三個長度務必使用同一個單位;如此體積會以該單位的立方表示,面積則以該單位的平方表示。切割角度須滿足 \(0 \le \theta < 90\) 度,\(R\) 必須為正值,\(r\) 則應介於 \(0\) 與 \(R\) 之間。
公式解析
底面積就是 \(S_B = \pi R^2\)。斜切面是一個橢圓,其水平投影正好是半徑為 \(r\) 的圓;當它傾斜 \(\theta\) 角時,面積會被拉伸 \(1/\cos\theta\) 倍,因此 \(S_u = \pi r^2 / \cos\theta\)。體積則由兩部分組成:一個截錐(從底面半徑 \(R\) 往上收縮到樞軸半徑 \(r\),垂直上升高度為 \(h_p = H(R-r)/R\)),再加上一個斜楔項 \(\tfrac{2}{3}r^3\tan\theta\) 用來修正傾斜的部分:
$$V = \frac{\pi h_p}{3}\left(R^2 + R\,r + r^2\right) + \frac{2}{3}\,r^3 \tan\theta$$
實例演算
以 \(H=5\)、\(R=8\)、\(r=3\)、\(\theta=15^\circ\) 為例:\(\cos 15^\circ=0.9659258\),\(\tan 15^\circ=0.2679492\)。底面積 \(= \pi\cdot 64 = 201.062\)。切面面積 \(= \pi\cdot 9 / 0.9659258 = 29.2738\)。\(h_p = 5\cdot(8-3)/8 = 3.125\),截錐 \(= (\pi\cdot 3.125/3)\cdot(64+24+9) = 317.432\),楔形 \(= 0.6667\cdot 27\cdot 0.2679492 = 4.823\)。體積 \(V \approx 322.255\)。
常見問題
當 \(\theta = 0\) 時會如何?此時切面變成水平:\(S_u = \pi r^2\),楔形項歸零,只剩下純粹的截錐體積。
為什麼 \(\theta\) 必須小於 90 度?當 \(\theta\) 趨近 \(90^\circ\) 時,\(\cos\theta\) 趨近於 \(0\),斜切面面積會發散到無限大,因此這種配置是無效的。
計算結果的單位是什麼?取決於你為長度所使用的單位。若 \(H\)、\(R\)、\(r\) 皆以公分為單位,則體積會是立方公分,面積則是平方公分。