7511. Цилиндр описан около шара радиуса
R
. Точка
P
расположена внутри цилиндра на его оси и удалена на
\frac{3}{4}R
от нижнего основания. Через эту точку проведена плоскость
\alpha
, имеющая с окружностью основания только одну общую точку. В шар вписан конус, основание которого лежит в плоскости
\alpha
, а вершина расположена выше этой плоскости. Найдите объём конуса.
Ответ.
\frac{48}{125}\pi R^{3}
.
Решение. Рассмотрим сечение цилиндра плоскостью, проходящей через центр шара и точку
P
(рис. 2). Получим квадрат
ABCD
, в который вписана окружность радиуса
R
с центром
O
. Пусть секущая плоскость пересекается с плоскостью
\alpha
по прямой
AK
(
K
— точка на
BC
), а
M
и
N
— точки пересечения окружности с прямой
AK
. Тогда
MN
— диаметр основания указанного конуса, середина
Q
отрезка
MN
— центр основания конуса,
E
— точка касания окружности со стороной
AB
, а точка
L
пересечения продолжения отрезка
QO
за точку
O
с окружностью, вписанной в квадрат
ABCD
, — вершина конуса. Обозначим
QM=QN=r
,
LQ=h
,
\angle KAB=\varphi
. Тогда
\tg\varphi=\frac{PE}{AE}=\frac{\frac{3}{4}R}{R}=\frac{3}{4},~\cos\varphi=\frac{4}{5},

OQ=OP\cos\angle POQ=\frac{1}{4}R\cos\varphi=\frac{1}{5}R.

Из прямоугольного треугольника
OQN
находим, что
r=QN=\sqrt{ON^{2}-OQ^{2}}=\sqrt{R^{2}-\left(\frac{1}{5}R\right)^{2}}=\frac{2}{5}R\sqrt{6},

а так как
h=QL=OL+OQ=R+\frac{1}{5}R=\frac{6}{5}R,

то, обозначив через
V
объём конуса, получим, что
V=\frac{1}{3}\pi r^{2}h=\frac{1}{3}\pi\left(\frac{2}{5}R\sqrt{6}\right)^{2}\cdot\frac{6}{5}R=\frac{48}{125}\pi R^{3}.