什么是弓形?
弓形(圆缺)就是圆被一条直弦截出的那块"弓箭"形状的区域,由一条直弦和它所截下的圆弧共同围成。描述它只需两个容易测量的量:弦长 c(也就是那条直的底边),以及高度 h(又称矢高),即从弦的中点向上量到圆弧的最大距离。本计算器输入 c 和 h,即可返回弓形面积 S、圆弧所对的圆心角(同时给出弧度和角度两种单位)、弧长 L,以及所在母圆的半径 r。
使用方法
用任意一种统一的长度单位(米、英寸、像素都行——你喜欢哪种就用哪种)填入弦长和弓高。所有长度结果(L 和 r)会以同一单位返回,面积 S 为该单位的平方,角度则以弧度和角度同时给出。注意:弓高 \(h\) 必须大于零。
公式详解
首先由弦长关系 \(c = 2\sqrt{h(2r - h)}\) 反推半径,整理后即得到标准的矢高公式 $$r = \frac{h}{2} + \frac{c^{2}}{8h}$$ 圆心角为 $$\theta = 2\cdot\cos^{-1}\!\left(1 - \frac{h}{r}\right),$$ 弧长为 \(L = r\cdot\theta\),弓形面积为 $$S = \frac{\theta}{2}\cdot r^{2} - (r - h)\cdot\sqrt{h(2r - h)}.$$ 由于 \(\sqrt{h(2r - h)}\) 恰好等于 \(c/2\),面积也可写成 $$S = \frac{\theta}{2}\cdot r^{2} - (r - h)\cdot\frac{c}{2}.$$
计算实例
设 \(c = 1.2\)、\(h = 0.5\):\(r = 0.25 + 1.44/4 = 0.61\)。则 \(1 - h/r = 0.180328\),于是 \(\theta = 2\cdot\arccos(0.180328) = 2.778906\) 弧度 \(= 159.22^{\circ}\)。弧长为 \(L = 0.61 \times 2.778906 = 1.695133\)。由于 \(\sqrt{0.5\cdot 0.72} = 0.6\),面积为 $$S = 1.389453\cdot 0.3721 - 0.11\cdot 0.6 = 0.516916 - 0.066 = \mathbf{0.450916}.$$
常见问题
如果 h 等于 r 会怎样?此时弓形恰好是一个半圆,\(\theta = \pi\)(180°)。
h 可以大于 r 吗?可以——这时弓形比半圆还大。只要满足 \(h \le 2r\),公式依然成立;当 \(h = 2r\) 时即为整个圆(\(\theta = 2\pi\))。
该用什么单位?任意一种统一的长度单位即可。结果会自然沿用这一单位(长度、长度的平方、以及角度)。