阿基米德如何借助杠杆原理确定任意球缺的重心位置


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。


如何确定球缺的重心位置?
球缺可以分成哪几种类型?
大于半球的球缺重心位置在哪里?
如何构造杠杆系统论证球缺重心?
还需要作什么辅助立体图形?
任意平面截球缺的剖面图中会得到哪些有用的线段?
如何把线段间的比例关系转化为平面间的比例关系?
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?
一对二的平衡关系如何转化为一对一的平衡关系?
圆锥体AEF的重心在哪里?
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?
如何向球缺的重心问题转化?
假设球缺的重心位置为W,会得到怎样的比例关系?
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)
同底同高的球缺和圆锥体之间存在什么样的比例关系?
同高不同底的圆锥体之间存在什么样的比例关系?
如何降维为两线段之比?
球缺与圆锥体AEF之间又有怎样的比例关系呢?
W点如何分割AG?
如何变换这个比例关系?
又可以生成怎样的新比例关系?
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?
球缺与圆柱体N之间又存在怎样的比例关系?
重心位置如何计算?
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