CurvG
经典直角坐标曲线

悬链线Catenary

悬挂链条形成的双曲余弦曲线 y = a·cosh(x/a)——与抛物线貌似而神异。

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公式与关键数值

直角坐标方程
y=acosh⁡xa=a2(ex/a+e−x/a)y = a\cosh\frac{x}{a} = \frac{a}{2}\big(e^{x/a} + e^{-x/a}\big)
弧长 · 从最低点到 x
s=asinh⁡xas = a\sinh\frac{x}{a}
最低点
(0, a)(0,\ a)

a 是最低点的高度,也是水平张力与单位长度重量之比。

讲解视频

把悬链线做成讲解视频

带着图中的参数打开视频模板。片中每个数都在渲染前算好,可选横屏或竖屏。

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01 · 定义

什么是悬链线?

把一条均匀链条挂在两点之间,它自然垂成悬链线 y = a·cosh(x/a)。伽利略猜想它是抛物线;Jungius 用实验推翻了这一猜想,1691 年莱布尼茨、惠更斯与约翰·伯努利响应雅各布·伯努利的挑战,分别推导出真正的方程。名字来自拉丁语 catena,意为"链条"。

把它倒过来,纯受拉的链条就变成纯受压的拱——这是胡克的洞见:"柔线如何下垂,刚拱便如何倒立而立"。因此圣路易斯大拱门与高迪的悬链模型遵循的是(加权)悬链线,而不是抛物线。

02 · 性质

关键性质

  1. 从顶点起的弧长为 s = a·sinh(x/a);垂度与张力的几何全部由常数 a 决定。
  2. 链条中水平方向的张力分量处处相同。
  3. 顶点附近可用抛物线 y ≈ a + x²/(2a) 近似——伽利略混淆的根源。
  4. 绕 x 轴旋转得到悬链面:唯一的非平面旋转极小曲面。
  5. 方形轮子可以在由倒悬链线拼成的路面上平稳滚动。

03 · 问答

关于悬链线的常见问题

悬链线的方程是什么?
直角坐标方程:y = a cosh x/a = (a/2)(e^(x/a) + e^(-x/a))。a 是最低点的高度,也是水平张力与单位长度重量之比。
悬链线的弧长是多少?
弧长(从最低点到 x):s = a sinh x/a。a 是最低点的高度,也是水平张力与单位长度重量之比。

04 · 继续探索