数学学习乐园之二十五(等宽曲线)
很久很久以前,人类就知道可以利用横切面为圆形的滚轮搬运重物.据说古埃及人就是利用这种滚轮搬运建造金字塔的石块的. 滚轮向前移...
很久很久以前,人类就知道可以利用横切面为圆形的滚轮搬运重物.据说古埃及人就是利用这种滚轮搬运建造金字塔的石块的.
滚轮向前移动1m,上面的石块会向前移动多远?答案并不是1m.
如果你从图1中无法看出答案,可用3支铅笔滚动一本书,以帮助思考.
当石块在圆形滚轮上滚动时,它是在作与地面平行的平滑移动.你可能会认为滚轮的横切面应该都是圆形.其实还有许多其他形状,都具有转动时宽度相同的特性.图2和图3就是两种具有这种特性的形状.
把它们画在卡片纸上,并剪下来.
画图2所示形状的步骤如下:用圆规画出半径为6cm的圆弧BC,圆心为A;再以B点为圆心,画出圆弧AC;最后以C点为圆心,画圆弧AB.
剪下这个图形,并在纸上画两条相距6cm的平行线,把剪下的图形放在两平行线之间,沿着一条线滚动(可以在一条线上放一把直尺).你应该可以发现不管角度如何改变,这个图形都会接触到两条平行线.
画出图3所示形状的步骤如下:先画出一个等边三角形ABC,边长为4cm,然后把每一边向外延伸至少1cm.
以A为圆心,用圆规画出半径5cm的圆弧ST,接着分别以B、C为圆心,画出弧QR和UP;再以A为圆心,用圆规画出半径1cm的圆弧PQ,以B为圆心画出弧TU,以C为圆心画出弧RS.把这个图形也放在两条相距6cm的平行线之间做实验.
现在画一个边长6cm的正方形,你可以看到这个形状恰好可以放入正方形内,而且可以同时与四边接触.
有一种可用来切出正方形洞的特殊钻孔机,就是运用这种原理设计的,如图4所示.
英国的50便士硬币(参见图5)也具有等宽的曲线(试画出较大的图形).由万克尔(Wankel)所设计的旋转式发动机中的转子(rotor,参见图6)也具有相同的性质.虽然可以用这些形状作滚动,但它们不能做轮子.为什么?除了圆形以外,是否还有其他形状可以作为轮子使用呢?