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輸入計算

數學公式

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  1. Surface Area

    Surface Area: 弓形旋轉體的體積與表面積

    S = lateral (arc + chord swept) + caps; c = chord = 2 sqrt(h(2R-h)); L = arc = R alpha; R_arc = d + arc centroid offset; R_chord = d; caps 2A added only when theta < 2 pi (open revolution).

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結果

體積 V
458,397.34
mm³
表面積 S 30,614.55 mm²
弦長 c 160 mm

這個計算機能做什麼

這個工具可以計算弓形(即圓被一條弦切割後剩下的那一塊區域,外形像一張弓或弦月)繞著一條與弦平行的軸旋轉所形成旋轉體的體積外表面積。你可以讓它旋轉完整的 360 度,也可以只旋轉任意角度;當旋轉角度不滿一圈時,旋轉體的兩端會被兩個平坦的弓形截面封住。本工具屬於純幾何/微積分計算,無論在世界哪個地方,計算結果都完全一致。

由弦、半徑 R 和高度 h 定義的圓弓形,繞外部軸旋轉形成環狀立體
圓弓形繞外部軸旋轉即可形成旋轉體。

使用方式

輸入弧的半徑 \(R\)、弓形高度 \(h\)(即矢高 sagitta,從弦到弧頂的最大垂直距離)、弦到旋轉軸的距離 \(d\),以及旋轉角度。接著選擇長度單位(mm、cm、m 或 inch)與角度單位(度或弧度)。計算結果會以所選長度單位的立方與平方表示,並附上弦長。

計算公式

設圓心角 \(\alpha = 2\cdot\arccos\!\left(\frac{R-h}{R}\right)\),則弓形面積為 \(A = \tfrac{1}{2}R^2(\alpha - \sin\alpha)\),半弦長 \(a = \sqrt{h(2R-h)}\),弦長 \(c = 2a\)。根據帕普斯定理(Pappus's theorems),體積為

$$V = \theta\cdot R_c\cdot A$$

其中 \(R_c\) 是旋轉軸到弓形面積形心的距離;側表面積為

$$S = \theta\cdot(R_{\text{arc}}\cdot L_{\text{arc}} + R_{\text{chord}}\cdot c)$$

若為部分旋轉,還會額外加上兩個面積各為 \(A\) 的平坦端面。

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帕普斯質心定理,展示弓形面積 A、其到軸的質心距離 Rc 以及旋轉角 theta
帕普斯定理:體積等於旋轉角乘以質心距離乘以弓形面積。

範例演算

當 \(R = 100\ \text{mm}\)、\(h = 40\ \text{mm}\)、\(d = 50\ \text{mm}\) 且 \(\theta = 360^\circ\) 時:\(\alpha = 1.8546\) 弧度,\(A = 4472.95\ \text{mm}^2\),弦長 \(c = 160\ \text{mm}\)。計算後體積約為 \(1.86\times10^{6}\ \text{mm}^3\)(\(\approx 1864\ \text{cm}^3\)),表面積約為 \(1.39\times10^{5}\ \text{mm}^2\)。

常見問題

什麼是矢高(sagitta)?就是弓形高度 \(h\),也就是從弦到弧最高點的垂直距離,必須滿足 \(0 < h \le 2R\)。

為什麼部分旋轉會增加面積?當旋轉只在兩個角度位置間進行時,環體會在兩端各暴露出一個平坦的截面,每個截面的面積都等於弓形面積 \(A\),因此側表面積要再加上 \(2A\)。

旋轉軸可以穿過弦嗎?可以,把 \(d\) 設為 0 即可。若 \(d\) 為負值,表示旋轉軸位於弧的那一側;但形心距離必須保持為正,旋轉體才有實際物理意義。

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