懸鍊線

懸鍊線

曲線
懸鍊線 (Catenary)指的是一種曲線,指兩端固定的一條(粗細與質量分布)均勻、柔軟(不能伸長)的鍊條,在重力的作用下所具有的曲線形狀,例如懸索橋等,因其與兩端固定的繩子在均勻引力作用下下垂相似而得名。[1]
    中文名:懸鍊線 外文名: 别名: 屬性:曲線 英文名:Catenary 方程:y=a cosh x/a

簡介

懸鍊線是一種曲線,它的形狀因與懸在兩端的繩子因均勻引力作用下掉下來之形相似而名。它的公式為:y = acosh frac

其中 ''a'' 是一個常數。

詳述

懸鍊線的證明

最低點處受水平向左的拉力H,右懸挂點處受一個斜向上的拉力T,設T和水平方向夾角為θ,繩子一半的質量為m,受力分析有:

Tsinθ=mg;

Tcosθ=H,

并且對于繩上任意一點有

tanθ=dy/dx=mg/H;

mg=ρs;

其中s是右半段繩子的長度,ρ是繩子密度,認為繩子截面積是1,帶入得微分方程dy/dx=ρs/H;利用弧長公式ds=√(1+dy^2/dx^2)*dx;

所以s=∫√(1+dy^2/dx^2)*dx;

所以把s帶入微分方程得dy/dx=ρ∫√(1+dy^2/dx^2)*dx/H;.....(1)

對于(1)設p=dy/dx微分處理

得 p'=ρ/H*√(1+p^2)......(2)

p'=dp/dx;

對(2)分離常量求積分

∫dp/√(1+p^2)=∫ρ/H*dx

得ln【p+√(1+p^2)】=ρx/H+C

當x=0時,dy/dx=p=0;帶入得C=0;

整理得ln【p+√(1+p^2)】=ρx/H;

1+p^2=e^(2ρx/H)-2pe^(ρx/H)+p^2;

即p=【e^(ρx/H)-e^(-ρx/H)】/2=dy/dx;

dy得y=H/(2ρ)*【e^(ρx/H)+e^(-ρx/H)】 ;

如果令a=ρ/H的話

y=【e^(x/a)+e^(-x/a)】/(2a)。

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