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阿基米德如何借助杠杆原理确定任意球缺的重心位置

2022-02-11 12:45 作者:数行者  | 我要投稿


平面截圆得球缺 

       在上一个命题中,我们解决了任意球缺的体积计算问题,在计算的过程中,我们提到了圆柱体的重心,圆锥体的重心,唯独球缺的重心问题到现在还没有解决,虽然,不知道球缺的重心位置并不妨碍球缺体积的计算,但提到了球缺的重心,如何确定它的位置,显然就是一个新的问题了,紧接着阿基米德的方法就开始了针对此问题的分析。在对此问题展开之前,我搜索了一下网络,在国内平台某度对此问题的搜索结果是很少的,给出的最多的方法是悬线法这种物理方法,很少有给出数学方法解决方案的搜索结果,我不知道在国外的某歌上的搜索结果是如何的。

        从整个命题的论证过程来看,阿基米德确实历经周折,辗转变换,不但从已知向结果推导,还从结果向已知推导,同时使用了综合法与分析法两种不同的思路来对命题进行证明。我为什么如此说,主要是我发现在论证的过程中,有一处直接拿最后的结论来假设重心的位置所在,也即是先给出了重心的位置数量关系,然后,在此基础上继续论证了这个点正好符合要求,也即是这个点就是我们要求作的重心所在。当然,这个命题的大部分已经遗失了,更多的过程是海伯格补充上去的,虽然是补充,但也基本还原了原始的力学分析法,充分借助杠杆原理达成了重心位置的确定。虽然复杂,但很精彩。如果想彻底理解本命题中的方法和思路,大家必然面临以下问题的逐一解决。我把本命题的每一个解决步骤分解为一个问题,大家可以自己观察图形试着解答,解答不了的,再详细研读解题过程。体会数学变换的极致应用。

剖面图
立体图
  1. 如何确定球缺的重心位置?

  2. 球缺可以分成哪几种类型?

  3. 大于半球的球缺重心位置在哪里?

  4. 如何构造杠杆系统论证球缺重心?

  5. 还需要作什么辅助立体图形?

  6. 任意平面截球缺的剖面图中会得到哪些有用的线段?

  7. 如何把线段间的比例关系转化为平面间的比例关系?

  8. 平面之间的比例关系又对应着立体图形之间怎样的平衡关系呢?

  9. 一对二的平衡关系如何转化为一对一的平衡关系?

  10. 圆锥体AEF的重心在哪里?

  11. 新建立的圆柱体M和N分别对应跟哪个立体图形在杠杆两端保持平衡?

  12. 如何向球缺的重心问题转化?

  13. 假设球缺的重心位置为W,会得到怎样的比例关系?

  14. 如何确定点W的位置?

    (以上两个问题无法解决的话就先从后续问题解决起)

  15. 同底同高的球缺和圆锥体之间存在什么样的比例关系?

  16. 同高不同底的圆锥体之间存在什么样的比例关系?

  17. 如何降维为两线段之比?

  18. 球缺与圆锥体AEF之间又有怎样的比例关系呢?

  19. W点如何分割AG?

  20. 如何变换这个比例关系?

  21. 又可以生成怎样的新比例关系?

  22. 由M与圆锥体AEF之间的关系可以得到N与圆锥体AEF之间存在什么比例关系?

  23. 球缺与圆柱体N之间又存在怎样的比例关系?

  24. 重心位置如何计算?

    请看正文:

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