圆柱底面半径 R=4cm,高 H=9cm。两个等半径 r 的铁球放入封闭圆柱。
两球并排放置时,球心连线水平,两球心距 2r。球心到圆柱侧壁的距离为 R−r=4−r,需两球并排不超出:球心在底面投影距圆心距离需满足 (4−r)2+(4−r)2≥r... 更准确分析:
两球沿直径方向并排:球心距 2r,两球心到轴线距离均为 r(贴壁),需 2r≤2R=8,即 r≤4。
高度方向:两球叠放时需 4r≤H=9,r≤9/4=2.25。但两球可沿水平方向并排放置。
水平并排:两球球心在同一水平面,球心距 2r。球心到圆柱侧壁距离需 r≤R=4。球心高度 r(底部),总高度 2r≤9。
但两球可以斜放:球心连线与水平面成角 θ。球心距 2r,水平分量 2rcosθ,竖直分量 2rsinθ。需 2rcosθ≤2R2−r2(在横截面内两球不碰壁)且 2rsinθ+2r≤H(总高度含球径)。
最大化 r:需 rcosθ≤16−r2 且 r(sinθ+1)≤4.5。
当 θ=0(水平):r≤16−r2,2r2≤16,r≤22≈2.83。2r≤9,r≤4.5。约束 r≤22。
当 θ=π/2(竖直叠放):2r≤8,4r≤9,r≤2.25。约束 r≤2.25。
取最优 θ:rcosθ=16−r2 且 r(1+sinθ)=4.5。
设 r=3:cosθ=7/3,sinθ=2/3。r(1+sinθ)=3(1+2/3)=3+2≈4.41≤4.5。3⋅7/3=7≈2.65,16−9=7≈2.65。恰好满足!
验证 r=3:两球心距 6,水平分量 27,竖直分量 22。总高度 22+6≤9,22≈2.83,2.83+6=8.83≤9。✓
能否更大?r=3.01:r(1+sinθ)=4.5,sinθ=4.5/3.01−1≈0.495。cosθ≈0.869。rcosθ≈2.61,16−r2≈16−9.06≈2.635。2.61<2.635 满足。但 r(1+sinθ)=4.5,r=3.01,sinθ=0.495,cosθ=0.869,rcosθ=2.61<2.635。
继续增大 r:r=3.05,sinθ=4.5/3.05−1=0.475,cosθ=0.880,rcosθ=2.684,16−9.30=6.70=2.588。2.684>2.588,不满足!
故 r 的最大值约为 3。
答案
铁球半径最大值为 3 cm。