מחשבון קשת: מידות רדיוס, span & rise לבנייה
חשב מידות קשת מדויקות לפרויקטי בנייה. הזן רדיוס, span או rise כדי לקבוע את כל המדידות כולל אורך הקשת ואזור הקשת לקשתות עגולות מושלמות.
מחשבון קשת
פרמטרים קלט
תוצאות חישוב
תיעוד
מחשבון קשתות: ממדי דיוק עבור קשתות מושלמות
מבוא
מחשבון הקשתות הוא כלי חיוני לאדריכלים, מהנדסים, בונים וחובבי DIY שצריכים לקבוע ממדים מדויקים לבניית קשתות. מחשבון זה מפשט את הקשרים המתמטיים המורכבים בין ממדי הקשת המרכזיים: רדיוס, מרחק ועלייה. על ידי הבנת וחישוב מדויק של פרמטרים אלה, תוכל לעצב קשתות יציבות מבנית ונעימות לעין לדלתות, חלונות, גשרים ותכנים ארכיטקטוניים אחרים.
קשתות היו מרכיבים בסיסיים בארכיטקטורה במשך אלפי שנים, מפזרות משקל ויוצרות חללים פתוחים ואלגנטיים. בין אם אתה משחזר מבנה היסטורי, מעצב מבנה מודרני או עובד על פרויקט שיפוץ בית, ממדי הקשת המדויקים חיוניים לבנייה מוצלחת. מחשבון זה מסלק את חוסר הוודאות ואת החישובים הידניים המורכבים, ומאפשר לך להתמקד בתהליך העיצוב והבנייה שלך.
הסבר על ממדי הקשת
לפני שנכנסים לחישובים, חשוב להבין את ממדי הקשת המרכזיים:
- רדיוס: המרחק מנקודת המרכז של המעגל לכל נקודה על הקשת
- מרחק: המרחק האופקי בין שני הקצוות (נקודות הקפיצה) של הקשת
- עלייה: המרחק האנכי מקו הקפיצה לנקודת השיא של הקשת (החלק הפנימי)
- אורך הקשת: המרחק המעוקל לאורך הקשת מקצה אחד לאחר
- שטח הקשת: השטח המוקף על ידי הקשת וקו הקפיצה
נוסחאות מתמטיות
מחשבון הקשתות משתמש בנוסחאות הבאות כדי לקבוע את הקשרים בין רדיוס, מרחק ועלייה:
חישוב עלייה (כאשר ידועים רדיוס ומרחק)
נוסחה זו חלה כאשר:
- רדיוס > 0
- מרחק > 0
- מרחק ≤ 2 × רדיוס
חישוב רדיוס (כאשר ידועים מרחק ועלייה)
נוסחה זו חלה כאשר:
- מרחק > 0
- עלייה > 0
חישוב מרחק (כאשר ידועים רדיוס ועלייה)
נוסחה זו חלה כאשר:
- רדיוס > 0
- עלייה > 0
- עלייה ≤ רדיוס
חישוב אורך הקשת
כאשר θ (תטא) הוא הזווית המרכזית ברדיאנים:
חישוב שטח הקשת
כאשר θ היא הזווית המרכזית כפי שהוגדרה לעיל.
כיצד להשתמש במחשבון הקשתות
מחשבון הקשתות שלנו מציע שלושה מצבי חישוב כדי להתאים לתרחישים שונים שאתה עשוי להיתקל בהם בפרויקטים שלך. עקוב אחרי הצעדים הבאים לקבלת ממדי קשת מדויקים:
מצב 1: חישוב עלייה (כאשר אתה יודע רדיוס ומרחק)
- בחר "חישוב עלייה" מתוך אפשרויות מצב החישוב
- הזן את רדיוס הקשת
- הזן את המרחק (רוחב) של הקשת
- המחשבון יחישב אוטומטית:
- עלייה (גובה)
- אורך הקשת
- שטח הקשת
מצב 2: חישוב רדיוס (כאשר אתה יודע מרחק ועלייה)
- בחר "חישוב רדיוס" מתוך אפשרויות מצב החישוב
- הזן את המרחק (רוחב) של הקשת
- הזן את העלייה (גובה) של הקשת
- המחשבון יחישב אוטומטית:
- רדיוס
- אורך הקשת
- שטח הקשת
מצב 3: חישוב מרחק (כאשר אתה יודע רדיוס ועלייה)
- בחר "חישוב מרחק" מתוך אפשרויות מצב החישוב
- הזן את רדיוס הקשת
- הזן את העלייה (גובה) של הקשת
- המחשבון יחישב אוטומטית:
- מרחק (רוחב)
- אורך הקשת
- שטח הקשת
הבנת התוצאות
לאחר ביצוע החישוב, תקבל את התוצאות הבאות:
- ממד ראשי: הממד שאתה חישבת (עלייה, רדיוס או מרחק)
- אורך הקשת: המרחק המעוקל לאורך הקשת מקצה אחד לאחר
- שטח הקשת: השטח המוקף על ידי הקשת וקו הקפיצה
מדידות אלו חיוניות ל:
- קביעת כמויות חומר
- יצירת תבניות לבנייה
- הבטחת יציבות מבנית
- השגת המראה האסתטי הרצוי
מגבלות חשובות
המחשבון אוכף את המגבלות המתמטיות הללו כדי להבטיח ממדי קשת תקפים:
- מגבלת מרחק: המרחק לא יכול לעלות על פי שניים את הרדיוס (מרחק ≤ 2 × רדיוס)
- מגבלת עלייה: העלייה לא יכולה לעלות על הרדיוס (עלייה ≤ רדיוס)
- ערכים חיוביים: כל הממדים חייבים להיות מספרים חיוביים
אם תזין ערכים שמפרים מגבלות אלו, המחשבון יציג הודעת שגיאה וינחה אותך לעבר קלטים תקפים.
שימושים לחישובי קשתות
חישובי קשתות חיוניים בתחומים וביישומים רבים:
אדריכלות ובנייה
- דלתות וחלונות: עיצוב פתחים מעוגלים בקירות עם ממדים מדויקים
- תקרות מקושתות: חישוב הקימור עבור קשתות חביות וקשתות חיבור
- גשרים: קביעת ממדי הקשת האופטימליים ליציבות מבנית ואסתטיקה
- אבן: יצירת תבניות לקשתות לבנים או אבן
- תבניות: בניית תמיכות זמניות לקשתות בטון במהלך הבנייה
שימור היסטורי
- פרויקטי שיקום: התאמת ממדי הקשתות ההיסטוריות
- תיעוד: תיעוד הגיאומטריה המדויקת של קשתות קיימות
- שחזור: שחזור אלמנטים ארכיטקטוניים פגומים או חסרים
DIY ושיפוץ הבית
- תכנים בגינה: עיצוב קשתות, שערים או אלמנטים דקורטיביים
- עיצוב פנים: יצירת נישות מעוגלות, דלתות או כתרי עיצוב
- ייצור רהיטים: שילוב אלמנטים מעוגלים ברהיטים מותאמים אישית
אדריכלות נוף
- מבני גן: עיצוב גשרים מעוגלים, פרגולות ושערים
- קירות תמך: שילוב אלמנטים מעוגלים למטרות מבניות ואסתטיות
הנדסה
- ניתוח מבני: קביעת פיזור העומס ונקודות הלחץ במבנים מעוגלים
- הנדסה הידראולית: עיצוב קשתות קולטות ומבני ניקוז
חלופות לקשתות מעגליות
בעוד שמחשבון זה מתמקד בקשתות מעגליות, סוגים אחרים של קשתות כוללים:
- קשתות אליפטיות: משתמשות בחלקים מאליפסה במקום מעגל, מאפשרות מרחקים רחבים יותר עם עליות נמוכות יותר
- קשתות פרבוליות: עוקבות אחרי קו פרבולי, לעיתים קרובות בשימוש בגשרים לפיזור עומס אופטימלי
- קשתות גותיות: נוצרות על ידי שני קשתות מעגליות המפגש בנקודה, נפוץ בארכיטקטורה של ימי הביניים
- קשתות קתנריות: עוקבות אחרי הקו הטבעי שנוצר על ידי שרשרת תלויה, מספקות יעילות מבנית מצוינת
- קשתות שטוחות: נראות שטוחות אך למעשה יש להן עלייה קלה, משמשות מעל חלונות ודלתות
לכל סוג יש שיטות חישוב ותכונות מבניות משלו, המתאימות ליישומים שונים ולהעדפות אסתטיות שונות.
היסטוריה של קשתות בארכיטקטורה
לקשת יש היסטוריה עשירה spanning אלפי שנים ורבים מהציביליזציות:
מקורות עתיקים (3000-500 לפני הספירה)
הקשתות הראשונות הופיעו בארכיטקטורה של מסופוטמיה סביב 2500 לפני הספירה. אלה היו בדרך כלל מעוצבות באמצעות טכניקות של קירוב ולא קשתות אמיתיות. מצרים העתיקה השתמשה גם בקשתות פרימיטיביות במבנים תת-קרקעיים.
חידוש רומי (500 לפני הספירה-500 לספירה)
הרומאים שיפרו את הקשת החצי-מעגלית והשתמשו בה באופן נרחב בארכיטקטורה שלהם. ההתפתחויות המרכזיות כללו:
- שיטות חישוב סטנדרטיות עבור ממדי קשתות
- השימוש בבטון ליצירת קשתות חזקות יותר
- יישום בקולקטורים, גשרים ומבנים מונומנטליים כמו הקולוסיאום
התפתחויות ימי הביניים (500-1500 לספירה)
ימי הביניים ראו את התפתחות צורות הקשת, במיוחד:
- קשתות גותיות מחודדות שאפשרו חללים גבוהים ומוארים יותר
- קשתות מקושתות שנוצרו על ידי חיבור קשתות
- קשתות מעופפות שנלחמו בכוח הדחיסה החוצה של הקשתות
תקופות הרנסנס והבארוק (1400-1750)
תקופות אלו ראו חזרה לצורות קלאסיות עם:
- קשתות חצי-מעגליות המבוססות על פרופורציות מתמטיות מדויקות
- שילוב קשתות בקומפוזיציות ארכיטקטוניות מורכבות
- עבודות תיאורטיות על עיצוב וחישוב קשתות על ידי אדריכלים כמו פלאדיו
יישומים מודרניים (1750-נוכחי)
הארכיטקטורה המודרנית ממשיכה להשתמש בקשתות עם:
- חומרים חדשים כמו פלדה ובטון מזוין המאפשרים מרחקים ארוכים יותר
- עיצוב בעזרת מחשב המאפשר חישובים מורכבים של קשתות
- צורות חדשניות שמאתגרות את גבולות הגיאומטריה המסורתית של הקשתות
במהלך ההיסטוריה, חישוב מדויק של ממדי הקשת היה חיוני הן ליציבות מבנית והן להרמוניה אסתטית.
דוגמאות קוד לחישובי קשתות
הנה יישומים של נוסחאות חישוב הקשתות בשפות תכנות שונות:
1' פונקציית VBA של Excel לחישובי קשתות
2Function CalculateRise(radius As Double, span As Double) As Double
3 ' בדוק מגבלות
4 If span > 2 * radius Then
5 CalculateRise = CVErr(xlErrValue)
6 Else
7 CalculateRise = radius - Sqr(radius * radius - (span * span) / 4)
8 End If
9End Function
10
11Function CalculateRadius(span As Double, rise As Double) As Double
12 CalculateRadius = (span * span) / (8 * rise) + (rise / 2)
13End Function
14
15Function CalculateSpan(radius As Double, rise As Double) As Double
16 ' בדוק מגבלות
17 If rise > radius Then
18 CalculateSpan = CVErr(xlErrValue)
19 Else
20 CalculateSpan = 2 * Sqr(2 * radius * rise - rise * rise)
21 End If
22End Function
23
24Function CalculateArcLength(radius As Double, span As Double) As Double
25 Dim theta As Double
26 theta = 2 * Application.Asin(span / (2 * radius))
27 CalculateArcLength = radius * theta
28End Function
29
1import math
2
3def calculate_rise(radius, span):
4 """חשב את העלייה של קשת נתונה רדיוס ומרחק."""
5 if span > 2 * radius:
6 raise ValueError("המרחק לא יכול להיות גדול פי שניים מהרדיוס")
7 return radius - math.sqrt(radius**2 - (span/2)**2)
8
9def calculate_radius(span, rise):
10 """חשב את הרדיוס של קשת נתונה מרחק ועלייה."""
11 return (span**2) / (8 * rise) + (rise / 2)
12
13def calculate_span(radius, rise):
14 """חשב את המרחק של קשת נתונה רדיוס ועלייה."""
15 if rise > radius:
16 raise ValueError("העלייה לא יכולה להיות גדולה מהרדיוס")
17 return 2 * math.sqrt(2 * radius * rise - rise**2)
18
19def calculate_arc_length(radius, span):
20 """חשב את אורך הקשת של קשת."""
21 theta = 2 * math.asin(span / (2 * radius))
22 return radius * theta
23
24def calculate_arch_area(radius, span, rise):
25 """חשב את שטח של קטע קשת."""
26 theta = 2 * math.asin(span / (2 * radius))
27 sector_area = 0.5 * radius**2 * theta
28 triangle_area = 0.5 * span * (radius - rise)
29 return sector_area - triangle_area
30
1/**
2 * חשב את העלייה של קשת נתונה רדיוס ומרחק
3 */
4function calculateRise(radius, span) {
5 if (span > 2 * radius) {
6 throw new Error("המרחק לא יכול להיות גדול פי שניים מהרדיוס");
7 }
8 return radius - Math.sqrt(radius**2 - (span/2)**2);
9}
10
11/**
12 * חשב את הרדיוס של קשת נתונה מרחק ועלייה
13 */
14function calculateRadius(span, rise) {
15 return (span**2) / (8 * rise) + (rise / 2);
16}
17
18/**
19 * חשב את המרחק של קשת נתונה רדיוס ועלייה
20 */
21function calculateSpan(radius, rise) {
22 if (rise > radius) {
23 throw new Error("העלייה לא יכולה להיות גדולה מהרדיוס");
24 }
25 return 2 * Math.sqrt(2 * radius * rise - rise**2);
26}
27
28/**
29 * חשב את אורך הקשת של קשת
30 */
31function calculateArcLength(radius, span) {
32 const theta = 2 * Math.asin(span / (2 * radius));
33 return radius * theta;
34}
35
36/**
37 * חשב את שטח של קטע קשת
38 */
39function calculateArchArea(radius, span, rise) {
40 const theta = 2 * Math.asin(span / (2 * radius));
41 const sectorArea = 0.5 * radius**2 * theta;
42 const triangleArea = 0.5 * span * (radius - rise);
43 return sectorArea - triangleArea;
44}
45
1public class ArchCalculator {
2 /**
3 * חשב את העלייה של קשת נתונה רדיוס ומרחק
4 */
5 public static double calculateRise(double radius, double span) {
6 if (span > 2 * radius) {
7 throw new IllegalArgumentException("המרחק לא יכול להיות גדול פי שניים מהרדיוס");
8 }
9 return radius - Math.sqrt(radius * radius - (span * span) / 4);
10 }
11
12 /**
13 * חשב את הרדיוס של קשת נתונה מרחק ועלייה
14 */
15 public static double calculateRadius(double span, double rise) {
16 return (span * span) / (8 * rise) + (rise / 2);
17 }
18
19 /**
20 * חשב את המרחק של קשת נתונה רדיוס ועלייה
21 */
22 public static double calculateSpan(double radius, double rise) {
23 if (rise > radius) {
24 throw new IllegalArgumentException("העלייה לא יכולה להיות גדולה מהרדיוס");
25 }
26 return 2 * Math.sqrt(2 * radius * rise - rise * rise);
27 }
28
29 /**
30 * חשב את אורך הקשת של קשת
31 */
32 public static double calculateArcLength(double radius, double span) {
33 double theta = 2 * Math.asin(span / (2 * radius));
34 return radius * theta;
35 }
36
37 /**
38 * חשב את שטח של קטע קשת
39 */
40 public static double calculateArchArea(double radius, double span, double rise) {
41 double theta = 2 * Math.asin(span / (2 * radius));
42 double sectorArea = 0.5 * radius * radius * theta;
43 double triangleArea = 0.5 * span * (radius - rise);
44 return sectorArea - triangleArea;
45 }
46}
47
דוגמאות מעשיות
הנה כמה דוגמאות מעשיות לחישובי קשתות עבור תרחישים נפוצים:
דוגמה 1: קשת לדלת סטנדרטית
נתון:
- מרחק: 36 אינצ'ים (3 רגלים)
- עלייה: 12 אינצ'ים (1 רגל)
חשב:
- רדיוס = (36² / (8 × 12)) + (12 / 2) = 162 / 8 + 6 = 20.25 + 6 = 26.25 אינצ'ים
- אורך הקשת = 26.25 × (2 × arcsin(36 / (2 × 26.25))) = 26.25 × (2 × arcsin(0.686)) = 26.25 × (2 × 0.756) = 26.25 × 1.512 = 39.67 אינצ'ים
- שטח הקשת = 0.5 × 26.25² × 1.512 - 0.5 × 36 × (26.25 - 12) = 0.5 × 689.06 × 1.512 - 0.5 × 36 × 14.25 = 521.13 - 256.5 = 264.63 אינצ'ים רבועים
דוגמה 2: קשת בגינה
נתון:
- רדיוס: 4 רגלים
- מרחק: 6 רגלים
חשב:
- עלייה = 4 - √(4² - (6/2)²) = 4 - √(16 - 9) = 4 - √7 = 4 - 2.65 = 1.35 רגלים
- אורך הקשת = 4 × (2 × arcsin(6 / (2 × 4))) = 4 × (2 × arcsin(0.75)) = 4 × (2 × 0.848) = 4 × 1.696 = 6.78 רגלים
- שטח הקשת = 0.5 × 4² × 1.696 - 0.5 × 6 × (4 - 1.35) = 0.5 × 16 × 1.696 - 0.5 × 6 × 2.65 = 13.57 - 7.95 = 5.62 רגלים רבועים
דוגמה 3: קשת גשר
נתון:
- מרחק: 50 רגלים
- עלייה: 15 רגלים
חשב:
- רדיוס = (50² / (8 × 15)) + (15 / 2) = 2500 / 120 + 7.5 = 20.83 + 7.5 = 28.33 רגלים
- אורך הקשת = 28.33 × (2 × arcsin(50 / (2 × 28.33))) = 28.33 × (2 × arcsin(0.882)) = 28.33 × (2 × 1.078) = 28.33 × 2.156 = 61.08 רגלים
- שטח הקשת = 0.5 × 28.33² × 2.156 - 0.5 × 50 × (28.33 - 15) = 0.5 × 802.59 × 2.156 - 0.5 × 50 × 13.33 = 865.19 - 333.25 = 531.94 רגלים רבועים
שאלות נפוצות
מה ההבדל בין עלייה לגובה בקשת?
העלייה מתייחסת במדויק למרחק האנכי מקו הקפיצה (הקו האופקי המחבר בין שני הקצוות) לנקודת השיא של החלק הפנימי של הקשת. המונח גובה עשוי לפעמים להתייחס לגובה הכולל של פתח קשת, כולל כל אלמנטים אנכיים מתחת לקו הקפיצה.
האם אני יכול להשתמש במחשבון הזה עבור כל סוגי הקשתות?
מחשבון זה מיועד במיוחד לקשתות מעגליות (קשתות שנוצרות מחלק ממעגל). הוא לא יספק חישובים מדויקים עבור סוגי קשתות אחרות כמו קשתות אליפטיות, פרבוליות או גותיות, שעוקבות אחרי עקומות מתמטיות שונות.
מה הקשר בין מרחק לרדיוס בקשת חצי-מעגלית?
בקשת חצי-מעגלית מושלמת, הרדיוס הוא בדיוק חצי מהמרחק, והעלייה שווה לרדיוס. זה יוצר חצי מעגל שבו יחס העלייה למרחק הוא 0.5.
כיצד אני קובע את יחס העלייה למרחק הנכון עבור הפרויקט שלי?
היחס האידיאלי בין עלייה למרחק תלוי ביישום הספציפי שלך:
- קשתות מבניות בדרך כלל יש להן יחסים בין 0.25 ל-0.5 לפיזור עומס אופטימלי
- קשתות דקורטיביות יכולות להיות עם יחסים נמוכים יותר (קשתות שטוחות יותר) או גבוהים יותר (קשתות גבוהות יותר) בהתאם להעדפות האסתטיות
- סגנונות היסטוריים לעיתים קרובות יש להם יחסים אופייניים (למשל, קשתות רומיות בדרך כלל יש יחס של 0.5)
מדוע המרחק לא יכול להיות גדול פי שניים מהרדיוס?
זוהי מגבלה מתמטית של קשתות מעגליות. כאשר המרחק שווה פי שניים מהרדיוס, יש לך חצי מעגל (חצי-מעגל). זה בלתי אפשרי גיאומטרית ליצור קשת מעגלית עם מרחק גדול פי שניים מהרדיוס שלה.
מדוע העלייה לא יכולה להיות גדולה מהרדיוס?
העלייה מייצגת את הגובה מקו הקפיצה לנקודת השיא של הקשת. בקשת מעגלית, מרחק זה לא יכול לעלות על הרדיוס של המעגל. אם העלייה שווה לרדיוס, יש לך קשת חצי-מעגלית.
כיצד אני מחשב את החומרים הנדרשים עבור הקשת שלי?
כדי להעריך חומרים:
- חשב את אורך הקשת כדי לקבוע את המרחק המעוקל לאורך הקשת
- הכפל בעומק (עובי) הקשת כדי למצוא את הנפח
- המיר ליחידות החומר שלך (למשל, מספר לבנים, רגלים מעוקבות של בטון)
מהו סוג הקשת החזק ביותר?
הקשת הקתנרית (עוקבת אחרי הקו של שרשרת תלויה) היא תאורטית החזקה ביותר, מכיוון שהיא מפזרת בצורה מושלמת כוחות דחיסה. עם זאת, קשתות מעגליות ופרבוליות יכולות להיות גם מאוד חזקות כאשר הן מעוצבות כראוי עבור תנאי העומס הספציפיים שלהן.
כיצד אני יוצר תבנית לבניית הקשת שלי?
- חשב את הרדיוס, המרחק והעלייה באמצעות מחשבון זה
- צייר את הקשת על פיסת נייר גדולה, פנדוק או קרטון באמצעות מחוגה או שיטה של חוט ועיפרון
- חתוך את התבנית והשתמש בה כדי להנחות את הבנייה של התבנית שלך או כדי למקם אלמנטים בודדים
האם אני יכול להשתמש במחשבון הזה עבור קשתות תלת-ממדיות וקשתות מקושתות?
מחשבון זה מספק ממדים עבור פרופיל קשת דו-ממדי. עבור מבנים תלת-ממדיים כמו קשתות חביות, תוכל ליישם את החישובים הללו על החתך ולאחר מכן להאריך את העיצוב לאורך הממד השלישי.
הפניות
-
אלן, א., ואיאנו, ג'. (2019). יסודות הבנייה: חומרים ושיטות. ג'ון ויילי ובניו.
-
בקמן, פ. (1994). היבטים מבניים של שימור בניינים. מקגרו-היל.
-
צ'ינג, פ. ד. ק. (2014). בנייה מצויירת. ג'ון ויילי ובניו.
-
פלצ'ר, ב. (1996). היסטוריה של ארכיטקטורה בשיטה השוואתית. הוצאת ארכיטקטורה.
-
היימן, ג'. (1995). שלד האבן: הנדסה מבנית של ארכיטקטורת אבן. הוצאת קמברידג'.
-
סלבטורי, מ. (1990). למה בניינים עומדים: כוח הארכיטקטורה. ו. ו. נורטון ובניו.
-
סנדקר, ב. נ., אגגן, א. פ., וקרוולייה, מ. ר. (2019). הבסיס המבני של ארכיטקטורה. רוטלידג'.
נסה את מחשבון הקשתות שלנו היום
עכשיו כשאתה מבין את המתמטיקה ואת החשיבות של ממדי הקשת, נסה את המחשבון שלנו כדי לקבל מדידות מדויקות עבור הפרויקט הבא שלך. בין אם אתה מעצב כניסה מפוארת, משחזר מבנה היסטורי או יוצר תכנים בגינה, ממדי קשת מדויקים הם רק כמה קליקים רחוקים.
לפרטים נוספים על מחשבונים ארכיטקטוניים ובנייתיים, חקור את הכלים האחרים שלנו שנועדו לפשט חישובים מורכבים ולעזור לך להשיג תוצאות מקצועיות.
כלים קשורים
גלה עוד כלים שעשויים להיות שימושיים עבור זרימת העבודה שלך