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窨井盖只能是圆形才不会掉下去吗?错! | 科学DIY

2017-10-27 实验君 把科学带回家

本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育



要是有人问你,用什么形状的物体做轮子滚起来不会上下颠簸,你八成会说,圆形或球体嘛。


没错,圆形和球体都能滚得平滑麻溜,不会上下颠簸,所以我们的轮胎都用的是圆形的设计。如果用三角形或者正方形,滚起来肯定会上下颠簸嘛。


但是,但是,(重点来了)并不是只有圆形或球状物体才有这种技巧哦。


而且,让窨井盖不会掉下去的形状,也不只有圆形哦!


今天介绍的一种奇怪的形状,它滚起来也不会上下颠簸,而且做成窨井盖的话,也不会掉下去哦。一起来看看吧!



关键概念


勒洛三角形

材料和工具


白纸

硬一些的纸,比如卡纸

胶水或胶带纸

剪刀

笔和直尺

圆规

打印机

一块平整的板子,比如泡沫板,塑料板,大概15厘米*45厘米那么大


操作步骤


打印法



1. 在 把科学带回家 后台回复 轮子,得到模版,然后打印2份出来。


2. 沿着黑边把模版剪下来,然后粘到比较硬的卡纸上,把卡纸也修剪成模版的形状。接着把写着A的地方粘在一起变成一个筒。然后把两片类似三角形的形状粘到筒的两端。


3. 现在可以开始实验了。把两个纸筒平行地放在桌上,然后把长板子架在上面使它们滚动。观察一下这两个纸筒滚起来的时候,上面的板子有没有上下颠簸?


手绘法


如果家里没有打印机,你也可以手工绘制。方法如下:


1. 在比较硬的卡纸上画2个点A和B,AB的间距大概是6厘米比较好。



2. 然后用圆规分别以A和B为圆心,AB的间距为半径画一个圆,圆交叉于C点。




3. 接着以C点为圆心,AB的间距为半径做一个圆。这三个圆就形成了一个类似三角形的形状,它叫做勒洛三角形。用剪刀把它剪下来。



4. 用同样的方法再做3个一样大小的勒洛三角形。


5. 做2个纸筒,每个纸筒的两端各粘一个勒洛三角形,这样你就有了1对勒洛三角形车轮了。


6. 同打印法的第3条。



实验原理



发现没有,勒洛三角形转起来的时候,上面的板子也不会上下颠簸。


这是什么原理?


其实,这是因为不管用什么角度测量,勒洛三角形的宽度总是是不变的。


▲ 宽度的定义




因此,不管勒洛三角形怎么转动,它始终恰好夹在桌面以及上面的板子间。用数学的语言说,勒洛三角形总是能和2条距离固定的平行线相切。




勒洛三角形除了能拿来当轮子,还有别的用处。


如果有人问你,如果窨井盖不用圆形,还可以用什么形状也不会掉下去?一个简单的答案就是勒洛三角形了。它的性质和圆类似,怎么翻都不会掉到下面去。


美国加州旧金山的一些窨井盖就是勒洛三角形:




几个肥皂泡中央的三角形其实也是勒洛三角形,这是因为勒洛三角形的每个角都是120度,符合肥皂泡形状的普拉托定律。



勒洛三角形除了能恰好夹在两条距离固定的平行线间之外,还可以在正方形里平滑地滚动。


▲ 勒洛三角形在正方形里滚动时,它的中心在画圆


一些苏联时代的电影放映机用的就是勒洛三角形的设计:



当然了,除了勒洛三角形,还有各式各样的勒洛多边形,它们都可以夹在两条平行线之间滚动而不会上下颠簸。



你可能会问,为什么世界上没有勒洛三角形形状的真正的轮子呢?


这是因为,勒洛三角形在两条平行线间转动时,它的任何一点都在上下颠簸,没有任何一点是在做水平运动


你可以想象一下圆形滚动时的情形——圆心在做水平运动。


因此如果用勒洛三角形上的任何一个点做固定的转轴,那么勒洛三角形转起来的时候就不能刚好夹在2条距离固定的平行线之间了。这就是没法在勒洛三角形上打个洞,然后当做转轴做成轮胎的原因。


勒洛三角形在正方形里滚动时,它的中心在画圆,并不是固定不动的



亲爱的小伙伴们,

你有没有尝试“勒洛三角形”?


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把科学带回家ID:bringsciencehome


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转载请联系 kids@huanqiukexue.com


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图片及参考资料来源:

https://www.wikihow.com/Draw-a-Reuleaux-Triangle

https://en.wikipedia.org/wiki/Reuleaux_triangle


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