8905. В четырёхугольной пирамиде
SABCD
основанием является трапеция
ABCD
(
BC\parallel AD
),
BC=\frac{4}{5}AD
,
\angle ASD=\angle CDS=\frac{\pi}{2}
. Все вершины пирамиды лежат на окружностях оснований цилиндра, высота которого равна 2, а радиус основания равен
\frac{5}{3}
. Найдите объём пирамиды.
Ответ. 2.
Решение. Если вершины
A
и
D
расположены на разных основаниях цилиндра, то по теореме о пересечении двух параллельных плоскостей третьей плоскостью
AB\parallel CD
, т.е
ABCD
— параллелограмм, а не трапеция.
Пусть вершины
A
и
D
расположены на окружности одного основания цилиндра. Тогда медиана
SM
прямоугольного треугольника
ASD
равна половине гипотенузы
AD
, а значит, меньше радиуса окружности основания цилиндра, т. е.
SM\lt\frac{5}{3}
. Значит, расстояние от точки
S
до плоскости этого основания меньше, чем
\frac{5}{3}
, а так как высота цилиндра равна 2 и
2\gt\frac{5}{3}
, то точка
S
не может лежать на окружности другого основания. Значит, в этом случае, прямоугольный треугольник
ASD
вписан в окружность основания цилиндра, и тогда
AD
— диаметр окружности. В этом случае точки
B
и
C
лежат на окружности другого основания цилиндра (рис. 1).
Пусть
B_{1}
и
C_{1}
— ортогональные проекции точек соответственно
B
и
C
на плоскость основания цилиндра, содержащую точки
A
,
D
и
S
. Поскольку
CD\perp SD
, по теореме о трёх перпендикулярах
C_{1}D\perp SD
, а так как
AS\perp SD
, то
C_{1}D\parallel AS
, значит,
ASDC_{1}
— прямоугольник (рис. 2). Поскольку
B_{1}C_{1}\parallel BC
, четырёхугольник
AB_{1}C_{1}D
— равнобедренная трапеция, поэтому
AB_{1}=DC_{1}=SA
, значит, диаметр
AD
перпендикулярен хорде
SB_{1}
и проходит через её середину
K
. Отрезок
SC_{1}
— диагональ прямоугольника
ASDC_{1}
, поэтому
SC_{1}
— диаметр окружности основания цилиндра,
SC_{1}=AD=\frac{10}{3}
, а так как
B_{1}C_{1}=BC=\frac{4}{5}AD=\frac{4}{5}\cdot\frac{10}{3}=\frac{8}{3},

то
SK=\frac{1}{2}SB_{1}=\frac{1}{2}\sqrt{SC_{1}^{2}-B_{1}C_{1}^{2}}=\frac{1}{2}\sqrt{\left(\frac{10}{3}\right)^{2}-\left(\frac{8}{3}\right)^{2}}=1.

По теореме о трёх перпендикулярах
BK\perp AD
, т. е.
BK
— высота трапеции
ABCD
. Из прямоугольного треугольника
BKB_{1}
находим, что
BK=\sqrt{BB_{1}^{2}+KB_{1}^{2}}=\sqrt{4+1}=\sqrt{5}.

Следовательно,
S_{ABCD}=\frac{1}{2}(AD+BC)\cdot BK=\frac{1}{2}\left(\frac{10}{3}+\frac{8}{3}\right)\cdot\sqrt{5}=3\sqrt{5}.

Пусть
H
— основание перпендикуляра, опущенного из точки
S
на прямую
BK
(рис. 3). Тогда
SH
— высота пирамиды
SABCD
, так как
SH\perp BK
и
SH\perp AD
. Записав двумя способами площадь треугольника
BKS
, получим, что
SH=\frac{SK\cdot BB_{1}}{BK}=\frac{1\cdot2}{\sqrt{5}}=\frac{2}{\sqrt{5}}.

Следовательно,
V_{SABCD}=\frac{1}{3}S_{ABCD}\cdot SH=\frac{1}{3}\cdot3\sqrt{5}\cdot\frac{2}{\sqrt{5}}=2.