Arko skaičiuoklė: spindulio, atstumo ir aukščio matmenys statybai
Apskaičiuokite tikslius arkos matmenis statybos projektams. Įveskite spindulį, atstumą arba aukštį, kad nustatytumėte visus matavimus, įskaitant arkos ilgį ir arkos plotą, kad gautumėte tobulas apvalias arkas.
Arko Skaičiuoklė
Įvesties Parametrai
Skaičiavimo Rezultatai
Dokumentacija
Arkos Skaičiuoklė: Tikslūs Matmenys Tobuliems Arkams
Įvadas
Arkos skaičiuoklė yra būtinas įrankis architektams, inžinieriams, statybininkams ir „pasidaryk pats“ entuziastams, kurie nori nustatyti tikslius matmenis arkų statybai. Ši skaičiuoklė supaprastina sudėtingas matematikos sąsajas tarp pagrindinių arkos matmenų: spindulio, atstumo ir aukščio. Suprasdami ir tiksliai apskaičiuodami šiuos parametrus, galite sukurti struktūriškai tvirtas ir estetiškai patrauklias arkos formas durims, langams, tiltams ir kitiems architektūriniams elementams.
Arkos buvo pagrindiniai architektūros elementai tūkstančius metų, paskirstydamos svorį ir sukurdamos elegantiškas, atviras erdves. Nesvarbu, ar atnaujinate istorinius pastatus, projektuojate modernią struktūrą, ar dirbate namų tobulinimo projekte, tikslūs arkos matmenys yra būtini sėkmingai statybai. Ši skaičiuoklė pašalina spėliones ir sudėtingus rankinius skaičiavimus, leisdama jums sutelkti dėmesį į dizaino ir statybos procesą.
Arkos Matmenų Paaiškinimas
Prieš pradedant skaičiavimus, svarbu suprasti pagrindinius arkos matmenis:
- Spindulys: Atstumas nuo apskritimo centro taško iki bet kurio taško ant arkos
- Atstumas: Horizontalus atstumas tarp dviejų galinių taškų (pradžios taškų) arkos
- Aukštis: Vertikalus atstumas nuo pradžios linijos iki aukščiausio arkos taško (intrados)
- Arkos Ilgis: Kreivinis atstumas palei arką nuo vieno galo iki kito
- Arkos Plotas: Plotas, užimamas arkos ir pradžios linijos
Matematinės Formulės
Arkos skaičiuoklė naudoja šias formules, kad nustatytų ryšius tarp spindulio, atstumo ir aukščio:
Apskaičiuoti Aukštį (kai žinomas spindulys ir atstumas)
Ši formulė taikoma, kai:
- Spindulys > 0
- Atstumas > 0
- Atstumas ≤ 2 × Spindulys
Apskaičiuoti Spindulį (kai žinomas atstumas ir aukštis)
Ši formulė taikoma, kai:
- Atstumas > 0
- Aukštis > 0
Apskaičiuoti Atstumą (kai žinomas spindulys ir aukštis)
Ši formulė taikoma, kai:
- Spindulys > 0
- Aukštis > 0
- Aukštis ≤ Spindulys
Apskaičiuoti Arkos Ilgį
Kur θ (theta) yra centrinis kampas radianais:
Apskaičiuoti Arkos Plotą
Kur θ yra centrinis kampas, kaip apibrėžta aukščiau.
Kaip Naudoti Arkos Skaičiuoklę
Mūsų arkos skaičiuoklė siūlo tris skaičiavimo režimus, kad atitiktų skirtingas scenarijas, su kuriais galite susidurti savo projektuose. Sekite šiuos žingsnius, kad gautumėte tikslius arkos matmenis:
Režimas 1: Apskaičiuoti Aukštį (kai žinote spindulį ir atstumą)
- Pasirinkite „Apskaičiuoti Aukštį“ iš skaičiavimo režimų parinkčių
- Įveskite arkos spindulį
- Įveskite arkos atstumą (plotį)
- Skaičiuoklė automatiškai apskaičiuos:
- Aukštį (aukštis)
- Arkos ilgį
- Arkos plotą
Režimas 2: Apskaičiuoti Spindulį (kai žinote atstumą ir aukštį)
- Pasirinkite „Apskaičiuoti Spindulį“ iš skaičiavimo režimų parinkčių
- Įveskite arkos atstumą (plotį)
- Įveskite arkos aukštį
- Skaičiuoklė automatiškai apskaičiuos:
- Spindulį
- Arkos ilgį
- Arkos plotą
Režimas 3: Apskaičiuoti Atstumą (kai žinote spindulį ir aukštį)
- Pasirinkite „Apskaičiuoti Atstumą“ iš skaičiavimo režimų parinkčių
- Įveskite arkos spindulį
- Įveskite arkos aukštį
- Skaičiuoklė automatiškai apskaičiuos:
- Atstumą (plotį)
- Arkos ilgį
- Arkos plotą
Rezultatų Supratimas
Atlikus skaičiavimą, gausite šiuos rezultatus:
- Pagrindinis Matmuo: Matmuo, kurį skaičiavote (aukštis, spindulys ar atstumas)
- Arkos Ilgis: Kreivinis atstumas palei arką nuo vieno galo iki kito
- Arkos Plotas: Plotas, užimamas arkos ir pradžios linijos
Šie matavimai yra būtini:
- Nustatant medžiagų kiekius
- Sukuriant šablonus statybai
- Užtikrinant struktūrinį stabilumą
- Pasiekiant norimą estetinį vaizdą
Svarbios Apribojimai
Skaičiuoklė taiko šiuos matematikos apribojimus, kad užtikrintų galiojančius arkos matmenis:
- Atstumo Apribojimas: Atstumas negali viršyti dvigubo spindulio (Atstumas ≤ 2 × Spindulys)
- Aukščio Apribojimas: Aukštis negali viršyti spindulio (Aukštis ≤ Spindulys)
- Teigiamos Vertės: Visi matmenys turi būti teigiami skaičiai
Jei įvesite vertes, kurios pažeidžia šiuos apribojimus, skaičiuoklė parodys klaidos pranešimą ir nukreips jus į galiojančius įvedimus.
Arkos Skaičiavimo Naudojimo Atvejai
Arkos skaičiavimai yra gyvybiškai svarbūs daugelyje sričių ir taikymų:
Architektūra ir Statyba
- Durys ir Langai: Arkinių angų dizainas sienose su tiksliomis dimensijomis
- Skliautai: Kreivumo skaičiavimas cilindriniams ir kryžminiams skliautams
- Tiltai: Optimalios arkos matmenų nustatymas struktūriniam vientisumui ir estetikai
- Mūrijimas: Šablonų kūrimas plytų ar akmens arkų
- Formos: Laikinų atramų statymas betoninėms arkos formoms statybos metu
Istorinė Išsaugojimas
- Atnaujinimo Projektai: Tikslus istorinių arkų matmenų atitikimas
- Dokumentacija: Esamų arkų tikslios geometrijos užfiksavimas
- Kopijavimas: Sugadintų ar trūkstamų architektūrinių elementų atkūrimas
„Pasidaryk Pats“ ir Namų Tobulinimas
- Sodo Elementai: Arkinių trelių, vartų ar dekoratyvinių elementų dizainas
- Interjero Dizainas: Arkinių nišų, durų ar dekoratyvinių apdailų kūrimas
- Baldų Gamybos: Arkinių elementų įtraukimas į individualius baldus
Peizažo Architektūra
- Sodo Konstrukcijos: Arkinių tiltų, pergolų ir vartų dizainas
- Laikančiosios Sienos: Arkinių elementų įtraukimas tiek struktūriniais, tiek estetiniais tikslais
Inžinerija
- Struktūrinė Analizė: Apkrovų paskirstymo ir įtempių taškų nustatymas arkiniuose struktūrose
- Hidraulinė Inžinerija: Arkinių kanalizacijos ir drenažo struktūrų projektavimas
Alternatyvos Apskritoms Arkos
Nors ši skaičiuoklė orientuota į apskritas arkas, kitos arkos rūšys apima:
- Elipsinės Arkos: Naudojant elipsės dalis, o ne apskritimą, leidžiančias platesnius atstumus su mažesniu aukščiu
- Parabolinės Arkos: Sekančios parabolinę kreivę, dažnai naudojamos tiltams optimaliai apkrovai paskirstyti
- Gotikinės Arkos: Sukurtos iš dviejų apskritų arkų, susitinkančių taške, dažnos viduramžių architektūroje
- Katenarinės Arkos: Sekančios natūralia kreive, susidarančia pakabinant grandinę, užtikrinančios puikų struktūrinį efektyvumą
- Plokščios Arkos: Atrodančios plokščios, bet iš tikrųjų turinčios šiek tiek aukščio, naudojamos virš langų ir durų
Kiekviena rūšis turi savo skaičiavimo metodus ir struktūrines savybes, tinkamas skirtingiems taikymams ir estetinėms preferencijoms.
Arkų Istorija Architektūroje
Arka turi turtingą istoriją, trunkančią tūkstančius metų ir apimančią daugybę civilizacijų:
Senovės Pradžia (3000-500 m. pr. m. e.)
Pirmieji arkos pasirodė Mesopotamijos architektūroje apie 2500 m. pr. m. e. Tai dažniausiai buvo formuojama naudojant korbelinimo technikas, o ne tikras arkas. Senovės egiptiečiai taip pat naudojo primityvias arkas požeminėse struktūrose.
Romėnų Inovacijos (500 m. pr. m. e. - 500 m. e.)
Romėnai tobulino pusapvalę arką ir plačiai ją naudojo savo architektūroje. Pagrindiniai pasiekimai apėmė:
- Standartizuoti arkos matmenų skaičiavimo metodai
- Betono naudojimas, siekiant sukurti stipresnes arkas
- Įgyvendinimas akvedukuose, tiltuose ir monumentinėse struktūrose, tokiuose kaip Koliziejus
Viduramžių Plėtra (500-1500 m. e.)
Viduramžiai matė arkos formų evoliuciją, ypač:
- Smailios gotikinės arkos, leidžiančios kurti aukštesnes, šviesesnes erdves
- Kryžminiai skliautai, sukurti iš susikertančių arkų
- Skrendančios atramos, kurios neutralizavo arkų išorinius stūmimus
Renesanso ir Baroko Periodai (1400-1750 m. e.)
Šiais laikotarpiais matėme sugrįžimą prie klasikinės formos su:
- Pusapvalėmis arkos, pagrįstomis tiksliomis matematinėmis proporcijomis
- Arkų integravimu į sudėtingas architektūrines kompozicijas
- Architektų, tokių kaip Palladio, teoriniais darbais apie arkos dizainą ir skaičiavimą
Modernios Taikymo (1750-Present)
Moderni architektūra ir toliau naudoja arkas su:
- Naujos medžiagos, tokios kaip plienas ir armuotas betonas, leidžiančios ilgesnius atstumus
- Kompiuterinėmis projektavimo priemonėmis, leidžiančiomis sudėtingus arkos skaičiavimus
- Novatoriškomis formomis, kurios stumia tradicinės arkos geometrijos ribas
Per visą istoriją tikslus arkos matmenų skaičiavimas buvo esminis tiek struktūriniam stabilumui, tiek estetinei harmonijai.
Kodo Pavyzdžiai Arkos Skaičiavimams
Štai arkos skaičiavimo formulių įgyvendinimai įvairiose programavimo kalbose:
1' Excel VBA Funkcija Arkos Skaičiavimams
2Function CalculateRise(radius As Double, span As Double) As Double
3 ' Patikrinkite apribojimus
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 ' Patikrinkite apribojimus
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 """Apskaičiuoti arkos aukštį, žinant spindulį ir atstumą."""
5 if span > 2 * radius:
6 raise ValueError("Atstumas negali būti didesnis už dvigubą spindulį")
7 return radius - math.sqrt(radius**2 - (span/2)**2)
8
9def calculate_radius(span, rise):
10 """Apskaičiuoti arkos spindulį, žinant atstumą ir aukštį."""
11 return (span**2) / (8 * rise) + (rise / 2)
12
13def calculate_span(radius, rise):
14 """Apskaičiuoti arkos atstumą, žinant spindulį ir aukštį."""
15 if rise > radius:
16 raise ValueError("Aukštis negali būti didesnis už spindulį")
17 return 2 * math.sqrt(2 * radius * rise - rise**2)
18
19def calculate_arc_length(radius, span):
20 """Apskaičiuoti arkos ilgį."""
21 theta = 2 * math.asin(span / (2 * radius))
22 return radius * theta
23
24def calculate_arch_area(radius, span, rise):
25 """Apskaičiuoti arkos segmento plotą."""
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 * Apskaičiuoti arkos aukštį, žinant spindulį ir atstumą
3 */
4function calculateRise(radius, span) {
5 if (span > 2 * radius) {
6 throw new Error("Atstumas negali būti didesnis už dvigubą spindulį");
7 }
8 return radius - Math.sqrt(radius**2 - (span/2)**2);
9}
10
11/**
12 * Apskaičiuoti arkos spindulį, žinant atstumą ir aukštį
13 */
14function calculateRadius(span, rise) {
15 return (span**2) / (8 * rise) + (rise / 2);
16}
17
18/**
19 * Apskaičiuoti arkos atstumą, žinant spindulį ir aukštį
20 */
21function calculateSpan(radius, rise) {
22 if (rise > radius) {
23 throw new Error("Aukštis negali būti didesnis už spindulį");
24 }
25 return 2 * Math.sqrt(2 * radius * rise - rise**2);
26}
27
28/**
29 * Apskaičiuoti arkos ilgį
30 */
31function calculateArcLength(radius, span) {
32 const theta = 2 * Math.asin(span / (2 * radius));
33 return radius * theta;
34}
35
36/**
37 * Apskaičiuoti arkos segmento plotą
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 * Apskaičiuoti arkos aukštį, žinant spindulį ir atstumą
4 */
5 public static double calculateRise(double radius, double span) {
6 if (span > 2 * radius) {
7 throw new IllegalArgumentException("Atstumas negali būti didesnis už dvigubą spindulį");
8 }
9 return radius - Math.sqrt(radius * radius - (span * span) / 4);
10 }
11
12 /**
13 * Apskaičiuoti arkos spindulį, žinant atstumą ir aukštį
14 */
15 public static double calculateRadius(double span, double rise) {
16 return (span * span) / (8 * rise) + (rise / 2);
17 }
18
19 /**
20 * Apskaičiuoti arkos atstumą, žinant spindulį ir aukštį
21 */
22 public static double calculateSpan(double radius, double rise) {
23 if (rise > radius) {
24 throw new IllegalArgumentException("Aukštis negali būti didesnis už spindulį");
25 }
26 return 2 * Math.sqrt(2 * radius * rise - rise * rise);
27 }
28
29 /**
30 * Apskaičiuoti arkos ilgį
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 * Apskaičiuoti arkos segmento plotą
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
Praktiniai Pavyzdžiai
Štai keletas praktinių arkos skaičiavimų pavyzdžių dažniems scenarijams:
Pavyzdys 1: Standartinė Durų Arka
Duota:
- Atstumas: 36 coliai (3 pėdos)
- Aukštis: 12 colių (1 pėda)
Apskaičiuoti:
- Spindulys = (36² / (8 × 12)) + (12 / 2) = 162 / 8 + 6 = 20.25 + 6 = 26.25 colių
- Arkos Ilgis = 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 colių
- Arkos Plotas = 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 kvadratiniai coliai
Pavyzdys 2: Sodo Arka
Duota:
- Spindulys: 4 pėdos
- Atstumas: 6 pėdų
Apskaičiuoti:
- Aukštis = 4 - √(4² - (6/2)²) = 4 - √(16 - 9) = 4 - √7 = 4 - 2.65 = 1.35 pėdos
- Arkos Ilgis = 4 × (2 × arcsin(6 / (2 × 4))) = 4 × (2 × arcsin(0.75)) = 4 × (2 × 0.848) = 4 × 1.696 = 6.78 pėdos
- Arkos Plotas = 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 kvadratinės pėdos
Pavyzdys 3: Tiltų Arka
Duota:
- Atstumas: 50 pėdų
- Aukštis: 15 pėdų
Apskaičiuoti:
- Spindulys = (50² / (8 × 15)) + (15 / 2) = 2500 / 120 + 7.5 = 20.83 + 7.5 = 28.33 pėdos
- Arkos Ilgis = 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 pėdos
- Arkos Plotas = 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 kvadratinės pėdos
Dažnai Užduodami Klausimai
Koks skirtumas tarp aukščio ir aukščio arkos?
Aukštis konkrečiai nurodo vertikalų atstumą nuo pradžios linijos (horizontalios linijos, sujungiančios du galinius taškus) iki aukščiausio arkos intrados (vidinės kreivės) taško. Terminas aukštis kartais gali reikšti bendrą arkos angos aukštį, įskaitant bet kokius vertikalius elementus žemiau pradžios linijos.
Ar galiu naudoti šią skaičiuoklę visų tipų arkoms?
Ši skaičiuoklė specialiai sukurta apskritoms arkos (arkoms, formuojamoms iš apskritimo segmento). Ji nesuteiks tikslių skaičiavimų kitoms arkos rūšims, tokioms kaip elipsinės, parabolinės ar gotikinės arkos, kurios seka skirtingas matematikos kreives.
Koks ryšys tarp atstumo ir spindulio pusapvalėje arkos?
Tobuloje pusapvalėje arkos spindulys yra lygiai pusė atstumo, o aukštis atitinka spindulį. Tai sukuria pusapvalę formą, kur aukščio ir atstumo santykis yra 0,5.
Kaip nustatyti tinkamą aukščio ir atstumo santykį savo projektui?
Idealus aukščio ir atstumo santykis priklauso nuo jūsų konkrečios taikymo srities:
- Struktūrinės arkos paprastai turi santykius tarp 0,25 ir 0,5 optimaliai apkrovai paskirstyti
- Dekoratyvinės arkos gali turėti mažesnius santykius (plokštesnės arkos) arba didesnius santykius (aukštesnės arkos) remiantis estetinėmis preferencijomis
- Istoriniai stiliai dažnai turi charakteringus santykius (pvz., Romos arkos paprastai turi 0,5 santykį)
Kodėl atstumas negali būti didesnis už dvigubą spindulį?
Tai yra matematinis apribojimas apskritoms arkos. Kai atstumas lygus dvigubam spinduliui, turite pusapvalę arką (pusapvalę). Geometriškai neįmanoma sukurti apskritos arkos su atstumu, didesniu už dvigubą spindulį.
Kodėl aukštis negali būti didesnis už spindulį?
Aukštis nurodo atstumą nuo pradžios linijos iki aukščiausio arkos taško. Apskritos arkos atveju šis atstumas negali viršyti apskritimo spindulio. Jei aukštis lygus spinduliui, turite pusapvalę arką.
Kaip apskaičiuoti reikiamų medžiagų kiekį mano arkai?
Norėdami įvertinti medžiagas:
- Apskaičiuokite arkos ilgį, kad nustatytumėte kreivinį atstumą palei arką
- Padauginkite iš gylio (storio) arkos, kad gautumėte tūrį
- Paverskite į savo medžiagos vienetus (pvz., plytų skaičius, kubinės pėdos betono)
Koks yra stipriausias arkos tipas?
Katenarinė arka (sekančia pakabintos grandinės kreive) teoriškai yra stipriausia, nes puikiai paskirsto kompresines jėgas. Tačiau apskritos ir parabolinės arkos taip pat gali būti labai stiprios, kai tinkamai projektuojamos pagal jų specifines apkrovų sąlygas.
Kaip sukurti šabloną savo arkai?
- Apskaičiuokite spindulį, atstumą ir aukštį naudodami šią skaičiuoklę
- Nupieškite arką ant didelio popieriaus, faneros ar kartono gabalo naudodami kompasą arba siūlą ir pieštuką
- Iškirpkite šabloną ir naudokite jį, kad vadovautumėtės statybos formomis arba pozicionuotumėte atskirus elementus
Ar galiu naudoti šią skaičiuoklę 3D arkos ir skliautams?
Ši skaičiuoklė suteikia matmenis 2D arkos profiliui. 3D struktūroms, tokioms kaip cilindriniai skliautai, galite taikyti šiuos skaičiavimus skerspjūvyje ir tada išplėsti dizainą trečioje dimensijoje.
Nuorodos
-
Allen, E., & Iano, J. (2019). Statybos Medžiagų ir Metodų Pagrindai. John Wiley & Sons.
-
Beckmann, P. (1994). Struktūriniai Aspektai Pastatų Išsaugojimo. McGraw-Hill Education.
-
Ching, F. D. K. (2014). Statybos Iliustracijos. John Wiley & Sons.
-
Fletcher, B. (1996). Architektūros Istorija Lyginamuoju Metodu. Architectural Press.
-
Heyman, J. (1995). Akmeninė Skeletai: Statybinė Inžinerija Mūrinės Architektūros. Cambridge University Press.
-
Salvadori, M. (1990). Kodėl Pastatai Stovi: Architektūros Stiprumas. W. W. Norton & Company.
-
Sandaker, B. N., Eggen, A. P., & Cruvellier, M. R. (2019). Architektūros Struktūriniai Pagrindai. Routledge.
Išbandykite Mūsų Arkos Skaičiuoklę Šiandien
Dabar, kai suprantate arkos matmenų matematiką ir svarbą, išbandykite mūsų skaičiuoklę, kad gautumėte tikslius matavimus savo kitam projektui. Nesvarbu, ar projektuojate didingą įėjimą, atnaujinate istorinius pastatus, ar kuriate sodo elementą, tikslūs arkos matmenys yra tik keli paspaudimai.
Dėl daugiau architektūrinių ir statybinių skaičiuoklių, tyrinėkite mūsų kitus įrankius, sukurtus supaprastinti sudėtingus skaičiavimus ir padėti jums pasiekti profesionalius rezultatus.
Susiję įrankiai
Raskite daugiau įrankių, kurie gali būti naudingi jūsų darbo eiga.