悬链线
悬链线是一种常用曲线,物理上用于描绘悬在水平两点间的因均匀引力作用下的软绳的形状,因此而得名。它的公式为:
或者简单地表示为
其中cosh是双曲余弦函数, 是一个由绳子本身性质和悬挂方式决定的常数,
轴为其准线。具体来说,
,其中
是重力加速度,
是线密度(假设绳子密度均匀),而
是绳子上每一点处张力的水平分量,它取决于绳子的悬挂方式;若绳子两端在同一水平面上,则下面的方程决定了
其中L是绳子总长的一半,d是端点距离的一半。
方程的推导
表达式的证明
如右图,设最低点处受水平向左的拉力
,右悬挂点处表示为
点,在
弧线区段任意取一段设为
点,则
受一个斜向上的拉力
,设
和水平方向夹角为
,绳子的质量为
,受力分析有:
;
,
,
, 其中
是右段
绳子的长度,
是绳子线重量密度,
为切线方向,记
, 代入得微分方程
;
利用弧长公式;
所以;
再把代入微分方程得
对于设
微分处理
得
其中;
对(2)分离常量求积分
得,即
其中为反双曲函数;
当时,
;
带入得;