Фигуры постоянной ширины. Треугольник Рело (стр. 3 из 5)

На фигуре 5 происходит смена траектории движения вершины. На фигурах 5, 6, 7 вершина движется по трохоиде точки, находящейся на поверхности окружности с радиусом, равным длине стороны треугольника.На фигурах 7, 8, 9 меченная вершина является точкой перевалатреугольника, она жестко лежит на поверхности. Фигуры 9, 10, 11 – опять трохоида и 11, 12, 1 – движение по окружности. По аналогии эти фигуры описаны выше. Меченая вершина возвращается в исходную точку. Треугольник Рело совершил полный оборот.

Рис.15 Движение вершины треугольника.

Рис.16 Движение центра треугольника.

Рис.17

Очень важной является траектория движения геометрического центра треугольника. Если обозначить длину стороны треугольника через R, то расстояние от вершины до геометрического центра будет равно R/

. На фигурах 3 – 4 – 5, 7 – 8 - 9, 11 – 12 – 1 (Рис.16) центр движется по дугам с радиусом именно R/ . На фигурах же 1 – 2 – 3, 5 – 6 – 7, 9 – 10 – 11 центр движется по трохоиде, причем расстояние от центра катящейся окружности (не путать с геометрическим центром треугольника, Рис. 15) до траектории искомой точки опять же равно R/ .

4.4 Площадь треугольника Рело

Одна из задач моей работы: доказать, что из всех фигур постоянной ширины d треугольник Рело имеет наименьшую площадь.

Для начала найдем площадь треугольника Рело:

;

;

Следовательно, площадь треугольника Рело равна

Попробуем доказать, что треугольник Рело имеет наименьшую площадь. Обозначим через n количество сторон многоугольника.

Пусть дан какой-то правильный n–угольник (с нечетным числом сторон), следовательно, его шириной будет наибольшая из диагоналей (в данном случае их две).

(при n

), .

Оценим

и площадь треугольника Релло:

, >

Следовательно,

больше площади треугольника Рело, а равносторонний, треугольник является многоугольником с наименьшим числом вершин (сторон). Значит, с увеличением числа вершин многоугольника площадь фигуры постоянной ширины, в которую вписан этот многоугольник, будет увеличиваться.

Попробуем доказать, что треугольник Рело имеет наименьшую площадь через n— количество сторон многоугольника.

Доказательство.

Итак, площадь треугольника Рело равна

.

Пусть дан правильный многоугольник со стороной а. О — центр вписанной и описанной окружности. ОА=ОD; ОН

АD; АОD= (n-число сторон), т.к. треугольник равнобедренный, ОН –биссектриса угла АОD.

Следовательно,

АОН= НОD; АОН: АОН= ; АН= , то .

.

Диаметром многоугольника является его наибольшая диагональ (в данном случае их две). Рассмотрим центральный угол АОВ и вписанный в окружность угол АМВ (рис. 21), то

АОВ=2 АМВ, АМВ= . AM=MB, то по теореме косинусов

, то

Площадь фигуры, в которую вписан правильный многоугольник состоит из площади многоугольника и суммы площадей равных сегментов. Площадь сегмента равна

(S_{сегмента}=S_{сектора}

S_{треугольника АМВ}).

Остается доказать, что это выражение будет всегда больше площади треугольника Рело, т.е. больше чем

. Для этого вычтем из площади треугольника Рело площадь фигуры постоянного диаметра, в которую вписан правильный многоугольник и докажем, что эта разность при n>3 всегда будет отрицательной:

Итак, при любом n>3

Следовательно, разность площади треугольника Рело и площади фигуры постоянного диаметра, в которую вписан правильный многоугольник, отрицательна.Из всех фигур постоянной ширины треугольник Рело имеет наименьшую площадь.

5. Применение треугольника Рело

5.1 Применение в некоторых механических устройствах

Треугольник Рело находит применение во многих механических устройствах, но ни в одном из них не используется его свойство кривой постоянной ширины. Лишь в 1914 году английский инженер Гарри Джеймс Уаттс изобрёл инструмент для сверления квадратных отверстий (рис.22). С 1916 года одна из фирм приступила к производству свёрл Уаттса. Сверло Уаттса представляет собой просто-напросто треугольник Рело, в котором прорезаны углубления для отвода стружки и заточены ржущие кромки.

Рис.22 Сверло Уаттса

5.2 Применение в автомобильных двигателях

Треугольник Рело используется и в автомобильных двигателях (рис.23, 24). Сконструировал этот роторно-поршневой двигатель в 1957 году немецкий инженер Ф. Ванкель, немецкий инженер и изобретатель(1902-1988). Внутри примерно цилиндрической камеры по сложной траектории движется трёхгранный ротор-поршень – треугольник Рело. Он вращается так, что три его вершины находятся в постоянном контакте с внутренней стенкой корпуса, образуя три замкнутых объёма, или камеры сгорания.

Фактически каждая из трёх боковых поверхностей ротора действует как поршень.

Рис.23 Схема двигателя

При вращении ротор внутри корпуса объём трёх боковых создаваемых им рабочих камер постоянно изменяется, действуя как насос. Ротор–поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединён с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала. Двигатель Ванкеля имеет множество преимуществ перед обычным ДВС: РПД значительно компактней и легче, поэтому, при установке его на автомашину, центр тяжести оказывается значительно ниже, а устойчивость автомобиля – выше. В традиционном четырёхтактном поршневом двигателе один и тот же цилиндр используется для разных процессов – впуска, сжатия, сгорания и впуска. Но роторный двигатель позволят осуществлять каждый из этих процессов в разных частях корпуса. Каждый процесс как бы происходит в отдельном цилиндре. В поршневом двигателе давление расширения, возникающее при сгорании топливовоздушной смеси, заставляет поршни двигаться вверх-вниз внутри цилиндров.