Một mái nhà hình tròn được đặt trên ba cây cột trụ (H.5.33). Các cây cột vuông góc với mặt sàn nhà phẳng và có độ cao lần lượt là 7 m, 6 m, 5 m. Ba chân cột là ba đỉnh của một tam giác đều trên mặt sàn nhà với cạnh dài 4 m. Hỏi mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc bao nhiêu độ?

a) Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ.

40 cm = 0,4 m, 44 cm = 0,44 m, 48 cm = 0,48 m.

Khi đó ta có A(0; 1; 0,4), B(1; 1; 0,44), C(1; 0; 0,48).

Có \(\overrightarrow {AB} = \left( {1;0;0,04} \right)\).

Vì ABCD là hình bình hành nên \(\overrightarrow {AB} = \overrightarrow {DC} \)\( \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}1 - {x_D} = 1\\ - {y_D} = 0\\0,48 - {z_D} = 0,04\end{array} \right.\)\( \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}{x_D} = 0\\{y_D} = 0\\{z_D} = 0,44\end{array} \right.\).

Suy ra D(0; 0; 0,44).

Vậy khoảng cách từ điểm D đến đáy bể là 44 cm.

b) Ta có đáy bể nằm trong mặt phẳng Oxy: z = 0 có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow k = \left( {0;0;1} \right)\).

Ta có\(\overrightarrow {AB} = \left( {1;0;0,04} \right)\), \(\overrightarrow {AC} = \left( {1; - 1;0,08} \right)\), \(\left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right] = \left( {0,04; - 0,04; - 1} \right)\).

Mặt phẳng (ABCD) đi qua A(0; 1; 0,4) và có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow n = \left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right] = \left( {0,04; - 0,04; - 1} \right)\) có phương trình là:

0,04x – 0,04(y – 1) – (z – 0,4) = 0 Û 0,04x – 0,04y – z + 0,44 = 0.

Do đó góc giữa đáy bể và mặt phẳng nằm ngang chính là góc giữa mặt phẳng (ABCD) và mặt đáy.

Có \(\cos \left( {\left( {ABCD} \right),\left( {Oxy} \right)} \right) = \frac{{\left| { - 1} \right|}}{{\sqrt 1 .\sqrt {{{0,04}^2} + {{\left( { - 0,04} \right)}^2} + {{\left( { - 1} \right)}^2}} }}\) \( = \frac{{25}}{{\sqrt {627} }}\).

Suy ra ((ABCD), (Oxy)) ≈ 3,2°.

Gọi O là giao điểm của AC và BD. Suy ra O là trung điểm của AC, BD.

Vì các tam giác SAC, SBD đều cân tại S, SO là trung tuyến nên SO đồng thời là đường cao.

Suy ra SO ^ AC, SO ^ BD nên SO ^ (ABCD).

Chọn hệ tọa độ như hình vẽ.

Vì ABCD là hình vuông cạnh 230 m nên OA = OB = OC = OD = \(115\sqrt 2 \).

Xét tam giác SOB vuông tại O, có \(SO = \sqrt {S{B^2} - O{B^2}} = \sqrt {{{219}^2} - {{\left( {115\sqrt 2 } \right)}^2}} = 7\sqrt {439} \).

Ta có \(A\left( { - 115\sqrt 2 ;0;0} \right),B\left( {0; - 115\sqrt 2 ;0} \right),C\left( {115\sqrt 2 ;0;0} \right),S\left( {0;0;7\sqrt {439} } \right)\).

Ta có \(\overrightarrow {SA} = \left( { - 115\sqrt 2 ;0; - 7\sqrt {439} } \right),\overrightarrow {SB} = \left( {0; - 115\sqrt 2 ; - 7\sqrt {439} } \right),\)

\(\overrightarrow {SC} = \left( {115\sqrt 2 ;0; - 7\sqrt {439} } \right)\).

Ta có \(\left[ {\overrightarrow {SA} ,\overrightarrow {SB} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - 7\sqrt {439} }\\{ - 115\sqrt 2 }&{ - 7\sqrt {439} }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 7\sqrt {439} }&{ - 115\sqrt 2 }\\{ - 7\sqrt {439} }&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 115\sqrt 2 }&0\\0&{ - 115\sqrt 2 }\end{array}} \right|} \right)\)

\( = \left( { - 805\sqrt {878} ; - 805\sqrt {878} ;26450} \right)\).

\(\left[ {\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {SC} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 115\sqrt 2 }&{ - 7\sqrt {439} }\\0&{ - 7\sqrt {439} }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 7\sqrt {439} }&0\\{ - 7\sqrt {439} }&{115\sqrt 2 }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - 115\sqrt 2 }\\{115\sqrt 2 }&0\end{array}} \right|} \right)\)

\( = \left( {805\sqrt {878} ; - 805\sqrt {878} ;26450} \right)\).

Mặt phẳng (SAB) nhận \(\overrightarrow n = \frac{1}{5}\left[ {\overrightarrow {SA} ,\overrightarrow {SB} } \right] = \left( { - 161\sqrt {878} ; - 161\sqrt {878} ;5290} \right)\) làm vectơ pháp tuyến.

Mặt phẳng (SBC) nhận \(\overrightarrow {n'} = \frac{1}{5}\left[ {\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {SC} } \right] = \left( {161\sqrt {878} ; - 161\sqrt {878} ;5290} \right)\) làm vectơ pháp tuyến.

Do đó

\(\begin{array}{l}\cos \left( {\left( {SAB} \right),\left( {SBC} \right)} \right)\\ = \frac{{\left| { - {{\left( {161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{\left( {161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{5290}^2}} \right|}}{{\sqrt {{{\left( { - 161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{\left( { - 161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{5290}^2}} .\sqrt {{{\left( {161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{\left( { - 161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{5290}^2}} }}\end{array}\)

\[ = \frac{{{{5290}^2}}}{{{{\left( {161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{\left( { - 161\sqrt {878} } \right)}^2} + {{5290}^2}}}\]\[ \approx 0,3807\].

Suy ra ((SAB), (SBC)) ≈ 67,6°.

Vậy góc giữa hai mặt phẳng (SAB) và (SBC) khoảng 67,6°.