悬链线( Catenary )是一种曲线,指的是两端固定的一条(粗细与质量分布)均匀、柔软(不能伸长)的链条,在重力的作用下自然形成的曲线形状,因其与两端固定的绳子在均匀引力作用下下垂相似而得名。适当选择坐标系后,悬链线的方程是一个双曲余弦函数,其标准方程为 y = a • cosh( x / a ),其中, a 为曲线顶点到横坐标轴的距离。
图片:悬挂在两根柱子之间的铁链,其形状可以(近似地)看做悬链线
历史发展
①问题的起源
达·芬奇不仅是意大利的著名画家,他画的《蒙娜丽莎》带给了世界永恒的微笑,而且他还是数学家、物理学家和机械工程师,他学识渊博,多才多艺,几乎在每个领域都有贡献,他还是数学上第一个使用加、减符号的人,他甚至认为:“在科学上,凡是用不上数学的地方,凡是与数学没有交融的地方,都是不可靠的”。他本人在创作《蒙娜丽莎》时,认真地研究了主人公的心理,做了各种精确的数学计算,来确定人物的比例结构,以及半身人像与背景间关系的构图问题。
当我们欣赏他的《抱银貂的女人》中脖颈上悬挂的黑色珍珠项链时,我们注意的是项链与女子相互映衬的美与光泽,而不会像达·芬奇那样去苦苦思索这样一个问题:固定项链的两端,使其在重力的作用下自然下垂,那么项链所形成的曲线是什么?
图片:抱银貂的女人(达·芬奇-意大利)
这就是著名的“悬链线问题”,达·芬奇还没有找到答案就去世了。
②发展
从外表上看,悬链线真的很像抛物线。荷兰物理学家惠更斯用物理方法证明了这条曲线不是抛物线,但到底是什么,他一时也求不出来。直到几十年后,雅各布·伯努利再次提出这个问题。
③解决问题
与达·芬奇的时代相隔 170 年,久负盛名的雅各布·伯努利在一篇论文中提出了确定悬链线性质(即方程)的问题。实际上,该问题存在多年且一直被人研究。伽利略就曾推测过悬链线是一条抛物线(但事实上并非如此),但问题一直悬而未决。雅各布觉得,应用奇妙的微积分新方法也许可以解决这一问题。
等高悬链线
工程中的应用
图片:悬索桥( Suspension Bridge )
相关公式
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注意:原图有水印遮挡,建议大家到BD百科去查看一下词条“悬链线”