奇妙的旋轮线
来源:本站原创 日期:2020-12-01
在自行车的轮胎外边缘上用红漆点上一个点,然后让车轮沿直线向前滚动,这个点在空间中所留下来的曲线就是旋轮线。旋轮线也叫摆线,在数学上的定义是一个圆沿着一条直线做无滑动的滚动,圆周上一点画出来的曲线。假如“车轮”不停地转动,画出来的旋轮线也就没有止境。
人们对于旋轮线的研究已久,在17世纪,总结出了它的四个性质:第一,旋轮线的长度等于旋转圆直径的4倍,是一个不依赖于π的有理数;第二,旋轮线在弧线下的面积,是旋转圆面积的三倍;第三,圆上描出旋轮线的那个点,具有不同的速度,在某个特定的地方它甚至是静止的;第四,当弹子从一个摆线形状的容器的不同点放开时,会同时到达底部当中。
旋轮线也叫最速降线,这是因为它具有另一个性质:在忽略摩擦和空气阻力的前提下,当一个物体仅凭重力,从一个点滑落到不在它正下方的另一个点时,如果沿着两点间的旋轮线滑动,所耗费的时间是最短的。这个问题由瑞士数学家约翰?伯努利提出,吸引了许多科学家展开研究,最终牛顿等人得出了沿着旋轮线滚落最省时的结论。
旋轮线在现实生活中应用十分广泛。我国古代宫廷建筑中有一些特殊的屋顶建筑,屋顶从侧面看不是三角形的,而是呈两条曲线,加上屋檐上翘,看起来十分雄壮威严。这种建筑结构就是典型的旋轮线,因为旋轮线的最速降线性质,使得屋顶上的雨水能以最快的速度流走,大大提高了建筑物的安全性。游乐场里跌宕起伏的过山车盘旋轨道,在设计时也利用了旋轮线垂直下降时能达到最高速的性质,使挑战者能感受到最佳的刺激体验。如果你是一个滑板爱好者,应该也知道,在专业的滑板溜碗赛场上,滑出一道最速降线,可以得到最大加速。此外,还有滑梯的蜿蜒滑道,也和旋轮线有着密切的联系。
由此可见,旋轮线既是一条充满速度与激情的运动曲线,又是一条实用性广泛的几何曲线。