8492. Найдите объём правильной шестиугольной пирамиды со стороной основания
a
и радиусом
r
вписанной сферы.
Ответ.
\frac{3\sqrt{3}a^{4}r}{3a^{2}-4r^{2}}
.
Решение. Пусть
O
— центр сферы радиуса
r
, вписанной в правильную шестиугольную пирамиду
PABCDEF
с вершиной
P
(рис. 1),
K
— середина
BC
. Точка
O
лежит на прямой
PM
, где
M
— центр основания
ABCDEF
. Обозначим
PM=h
,
\angle PKM=\beta
. Тогда
KM=\frac{a\sqrt{3}}{2}
.
Рассмотрим сечение пирамиды и сферы плоскостью, проходящей через точки
P
,
K
и
M
(рис. 2). Получим окружность радиуса
r
с центром
O
на прямой
PM
, касающуюся стороны
KM
угла
PKM
в точке
M
, а стороны
PK
— в некоторой точке
N
. Из прямоугольного треугольника
PNO
находим, что
\tg\frac{\beta}{2}=\tg\angle MKO=\frac{OM}{MK}=\frac{r}{\frac{a\sqrt{3}}{2}}=\frac{2r}{a\sqrt{3}}.

Поэтому
\tg\angle PKM=\tg\beta=\frac{2\tg\frac{\beta}{2}}{1-\tg^{2}\frac{\beta}{2}}=\frac{\frac{4r}{a\sqrt{3}}}{1-\frac{4r^{2}}{3a^{2}}}=\frac{4ar\sqrt{3}}{3a^{2}-4r^{2}}.

Из прямоугольного треугольника
PMK
находим, что
h=PM=KM\tg\angle PKM=\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{4ar\sqrt{3}}{3a^{2}-4r^{2}}=\frac{6a^{2}r}{3a^{2}-4r^{2}}.

Следовательно,
V_{PABCDEF}=\frac{1}{3}S_{ABCDEF}\cdot PM=\frac{1}{3}\cdot\frac{6a^{2}\sqrt{3}}{4}\cdot h=

=\frac{1}{3}\cdot\frac{6a^{2}\sqrt{3}}{4}\cdot\frac{6a^{2}r}{3a^{2}-4r^{2}}=\frac{3\sqrt{3}a^{4}r}{3a^{2}-4r^{2}}.