∫π每天一道数学题
知识就是力量,时间就是生命。——培根
  1. 底面半径4cm,高9cm,封闭圆柱容器,壁厚忽略,内有2个半径相等的铁球,铁球半径最大值 \underline{\qquad} cm。

参考解析

圆柱底面半径 R=4R=4cm,高 H=9H=9cm。两个等半径 rr 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 2r2r。球心到圆柱侧壁的距离为 Rr=4rR-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 (4r)2+(4r)2r\sqrt{(4-r)^2+(4-r)^2}\geq r... 更准确分析:

两球沿直径方向并排:球心距 2r2r,两球心到轴线距离均为 rr(贴壁),需 2r2R=82r\leq 2R=8,即 r4r\leq 4

高度方向:两球叠放时需 4rH=94r\leq H=9r9/4=2.25r\leq 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 2r2r。球心到圆柱侧壁距离需 rR=4r\leq R=4。球心高度 rr(底部),总高度 2r92r\leq 9

但两球可以斜放:球心连线与水平面成角 θ\theta。球心距 2r2r,水平分量 2rcosθ2r\cos\theta,竖直分量 2rsinθ2r\sin\theta。需 2rcosθ2R2r22r\cos\theta\leq 2\sqrt{R^2-r^2}(在横截面内两球不碰壁)且 2rsinθ+2rH2r\sin\theta+2r\leq H(总高度含球径)。

最大化 rr:需 rcosθ16r2r\cos\theta\leq\sqrt{16-r^2}r(sinθ+1)4.5r(\sin\theta+1)\leq 4.5

θ=0\theta=0(水平):r16r2r\leq\sqrt{16-r^2}2r2162r^2\leq 16r222.83r\leq 2\sqrt{2}\approx 2.832r92r\leq 9r4.5r\leq 4.5。约束 r22r\leq 2\sqrt{2}

θ=π/2\theta=\pi/2(竖直叠放):2r82r\leq 84r94r\leq 9r2.25r\leq 2.25。约束 r2.25r\leq 2.25

取最优 θ\thetarcosθ=16r2r\cos\theta=\sqrt{16-r^2}r(1+sinθ)=4.5r(1+\sin\theta)=4.5

r=3r=3cosθ=7/3\cos\theta=\sqrt{7}/3sinθ=2/3\sin\theta=\sqrt{2}/3r(1+sinθ)=3(1+2/3)=3+24.414.5r(1+\sin\theta)=3(1+\sqrt{2}/3)=3+\sqrt{2}\approx 4.41\leq 4.537/3=72.653\cdot\sqrt{7}/3=\sqrt{7}\approx 2.65169=72.65\sqrt{16-9}=\sqrt{7}\approx 2.65。恰好满足!

验证 r=3r=3:两球心距 66,水平分量 272\sqrt{7},竖直分量 222\sqrt{2}。总高度 22+692\sqrt{2}+6\leq 9222.832\sqrt{2}\approx 2.832.83+6=8.8392.83+6=8.83\leq 9\checkmark

能否更大?r=3.01r=3.01r(1+sinθ)=4.5r(1+\sin\theta)=4.5sinθ=4.5/3.0110.495\sin\theta=4.5/3.01-1\approx 0.495cosθ0.869\cos\theta\approx 0.869rcosθ2.61r\cos\theta\approx 2.6116r2169.062.635\sqrt{16-r^2}\approx\sqrt{16-9.06}\approx 2.6352.61<2.6352.61<2.635 满足。但 r(1+sinθ)=4.5r(1+\sin\theta)=4.5r=3.01r=3.01sinθ=0.495\sin\theta=0.495cosθ=0.869\cos\theta=0.869rcosθ=2.61<2.635r\cos\theta=2.61<2.635

继续增大 rrr=3.05r=3.05sinθ=4.5/3.051=0.475\sin\theta=4.5/3.05-1=0.475cosθ=0.880\cos\theta=0.880rcosθ=2.684r\cos\theta=2.684169.30=6.70=2.588\sqrt{16-9.30}=\sqrt{6.70}=2.5882.684>2.5882.684>2.588,不满足!

rr 的最大值约为 33

答案

铁球半径最大值为 33 cm。

这道题的解析对你有帮助吗?