Triunghiul Reuleaux [* 1] este aria de intersecție a trei cercuri egale cu centrele la vârfurile unui triunghi regulat și cu raze egale cu latura sa [1] [2] . Curba închisă nenetedă care delimitează această cifră este numită și triunghiul Reuleaux.
Triunghiul Reuleaux este cea mai simplă figură de lățime constantă după cercul [1] . Adică dacă o pereche de linii de referință paralele [* 2] este trasată la triunghiul Reuleaux , atunci distanța dintre ele nu va depinde de direcția aleasă [3] . Această distanță se numește lățimea triunghiului Reuleaux.
Printre alte figuri de lățime constantă, triunghiul Reuleaux se distinge printr-o serie de proprietăți extreme: cea mai mică zonă [1] , cel mai mic unghi posibil la vârf [4] , cea mai mică simetrie în jurul centrului [5] . Triunghiul a devenit larg răspândit în tehnologie - pe baza acestuia, mecanismele cu came și clapeta , motorul cu piston rotativ Wankel și chiar au fost create burghie care permit găurirea ( frezarea ) găurilor pătrate [6] .
Numele figurii provine de la numele de familie al mecanicului german Franz Rehlo . El a fost probabil primul care a investigat proprietățile acestui așa-numit triunghi curbiliniu; l-a folosit și în mecanismele sale [7] .
Reuleaux nu este descoperitorul acestei figuri, deși a studiat-o în detaliu. În special, el a luat în considerare întrebarea câte contacte (în perechi cinematice ) sunt necesare pentru a preveni mișcarea unei figuri plate și, folosind exemplul unui triunghi curbat înscris într- un pătrat , a arătat că chiar și trei contacte ar putea să nu fie suficiente. pentru a preveni rotirea figurii. [8] .
Unii matematicieni cred că Leonhard Euler a fost primul care a demonstrat ideea unui triunghi cu arce egale de cerc în secolul al XVIII-lea [9] . Cu toate acestea, o figură similară se găsește mai devreme, în secolul al XV-lea: Leonardo da Vinci a folosit-o în manuscrisele sale . Triunghiul Reuleaux se află în manuscrisele sale A și B, păstrate la Institut de France [10] , precum și în Codex Madrid [9] .
În jurul anului 1514, Leonardo da Vinci a creat una dintre primele hărți ale lumii de acest gen . Suprafața globului de pe el a fost împărțită de ecuator și două meridiane (unghiul dintre planurile acestor meridiane este de 90 °) în opt triunghiuri sferice , care au fost arătate pe planul hărții de triunghiuri Reuleaux, colectate patru în jurul stâlpi [11] .
Chiar mai devreme, în secolul al XIII-lea, creatorii Bisericii Maicii Domnului din Bruges au folosit triunghiul Reuleaux ca formă pentru unele dintre ferestre [9] .
Triunghiul Reuleaux este o figură geometrică convexă plată [12] .
Dacă lățimea triunghiului Reuleaux este , atunci aria sa este [13]
raza cercului înscris
iar raza cercului circumscris
. SimetrieTriunghiul Reuleaux are simetrie axială . Are trei axe de simetrie de ordinul doi, fiecare trecând prin vârful triunghiului și mijlocul arcului opus, precum și o axă de simetrie de ordinul al treilea, perpendiculară pe planul triunghiului și care trece prin centrul său [* 3] . Astfel, grupul de simetrie al triunghiului Reuleaux constă din șase mapări (inclusiv identitatea ) și este același cu grupul de simetrie al unui triunghi regulat .
Construire cu busolăTriunghiul Reuleaux poate fi construit doar cu o busolă , fără a recurge la o riglă . Această construcție se reduce la desenul succesiv a trei cercuri egale . Centrul primului este ales arbitrar, centrul celui de-al doilea poate fi orice punct al primului cerc, iar centrul celui de-al treilea poate fi oricare dintre cele două puncte de intersecție ale primelor două cercuri.
Deoarece triunghiul Reuleaux este o figură de lățime constantă, are toate proprietățile generale ale figurilor acestei clase. În special,
Dintre toate figurile de lățime constantă , triunghiul Reuleaux are cea mai mică zonă [1] . Această afirmație se numește teorema Blaschke-Lebesgue [27] [28] (după numele geometrului german Wilhelm Blaschke , care a publicat teorema în 1915 [29] , și matematicianului francez Henri Lebesgue , care a formulat-o în 1914 [30] ] ). În diferite momente, variante ale demonstrației sale au fost propuse de Matsusaburo Fujiwara (1927 și 1931) [31] [32] , Anton Mayer (1935) [33] , Harold Eggleston (1952) [34] , Abram Besikovici (1963) [35] ] , Donald Chakerian (1966) [36] , Evans Harrell (2002) [37] și alți matematicieni [5] .
Pentru a găsi aria unui triunghi Reuleaux, puteți adăuga aria triunghiului echilateral interior
și aria celor trei segmente circulare identice rămase bazate pe un unghi de 60 °
acesta este
[38]O figură care are proprietatea extremă opusă este un cerc . Dintre toate figurile cu o lățime constantă dată, aria sa este
maxim [39] [* 5] . Aria triunghiului Reuleaux corespunzător este mai mică cu ≈10,27%. În aceste limite se află zonele tuturor celorlalte figuri cu o lățime constantă dată.
Cel mai mic unghiPrin fiecare vârf al triunghiului Reuleaux, spre deosebire de restul punctelor sale de limită, nu există o singură linie de referință , ci un număr infinit de linii de referință. Intersectându-se în partea de sus, ele formează un „mănunchi”. Unghiul dintre liniile drepte extreme ale acestui „mănunchi” se numește unghiul de vârf . Pentru figurile de lățime constantă, unghiul la vârfuri nu poate fi mai mic de 120°. Singura figură de lățime constantă care are unghiuri de exact 120° este triunghiul Reuleaux [4] .
Cea mai mică simetrie centralăDintre toate figurile de lățime constantă, triunghiul Reuleaux are cel mai mic grad de simetrie centrală [5] [40] [41] [42] [43] . Există mai multe moduri diferite de a defini gradul de simetrie al unei figuri. Una dintre ele este măsura Kovner-Besikovici. În cazul general, pentru o figură convexă, este egală cu
unde este aria figurii, este figura convexă simetrică central cu aria maximă conținută în . Pentru triunghiul Reuleaux, o astfel de figură este un hexagon cu laturile curbe, care este intersecția acestui triunghi Reuleaux cu imaginea sa cu simetrie centrală în jurul centrului său [* 3] . Măsura Kovner-Besicovich pentru triunghiul Reuleaux este
[5] [40]O altă modalitate este măsura Estermann
unde este cifra care conține simetrică centrală a ariei minime. Pentru un triunghi Reuleaux , acesta este un hexagon regulat , deci măsura Estermann este
[5] [36]Pentru figurile simetrice central, măsurile Kovner-Besikovici și Estermann sunt egale cu unul. Dintre figurile de lățime constantă, doar cercul [25] are simetrie centrală , care (împreună cu triunghiul Reuleaux) limitează gama de valori posibile ale simetriei lor.
Orice figură de lățime constantă este înscrisă într-un pătrat cu latura egală cu lățimea figurii, iar direcția laturilor pătratului poate fi aleasă în mod arbitrar [22] [* 6] . Triunghiul Reuleaux nu face excepție, este înscris într-un pătrat și se poate roti în el, atingând constant toate cele patru laturi [44] .
Fiecare vârf al triunghiului în timpul rotației sale „trece” aproape întregul perimetru al pătratului, deviând de la această traiectorie doar în colțuri - acolo vârful descrie arcul unei elipse . Centrul acestei elipse este situat în colțul opus al pătratului, iar axele sale majore și minore sunt rotite la un unghi de 45 ° față de laturile pătratului și sunt egale.
unde este lățimea triunghiului [45] . Fiecare dintre cele patru elipse atinge două laturi adiacente ale pătratului la distanță
din colț [38] .
Centrul triunghiului Reuleaux în timpul rotației se mișcă de-a lungul unei traiectorii formate din patru arce identice de elipse. Centrele acestor elipse sunt situate la vârfurile pătratului, iar axele sunt rotite la un unghi de 45 ° față de laturile pătratului și sunt egale cu
[45] .Uneori, pentru mecanismele care implementează o astfel de rotație a unui triunghi în practică, nu se alege o lipire a patru arce de elipse, ci un cerc apropiat de acesta ca traiectorie a centrului [46] .
Aria fiecăruia dintre cele patru colțuri neafectate de rotație este egală cu
[47]și scăzându-le din aria pătratului, puteți obține aria figurii pe care o formează triunghiul Reuleaux atunci când se rotește în el.
[38] [47] [48]Diferența cu aria pătrată este ≈1,2%, prin urmare, pe baza triunghiului Reuleaux, se creează burghie care fac posibilă obținerea unor găuri aproape pătrate [45] .
„Am auzit cu toții de chei concepute pentru nuci pentru stângaci , țevi de apă înnodate și banane din fontă. Am considerat astfel de lucruri drept niște mărțișoare ridicole și am refuzat chiar să credem că le vom întâlni vreodată în realitate. Și dintr-o dată apare un instrument care vă permite să găuriți găuri pătrate!
FlyerUn tăietor cu o secțiune sub forma unui triunghi Reuleaux și cu lame de tăiere care coincid cu vârfurile sale face posibilă obținerea de găuri aproape pătrate. Diferența dintre astfel de găuri dintr-un pătrat în secțiune transversală este doar în colțurile ușor rotunjite [50] . O altă caracteristică a unui astfel de tăietor este că axa sa în timpul rotației nu ar trebui să rămână pe loc, așa cum este cazul burghiilor elicoidale tradiționale, ci descrie o curbă în planul secțiunii, constând din patru arce de elipse . Prin urmare, mandrina , în care este prins cuțitul, și suportul sculei nu trebuie să interfereze cu această mișcare [45] .
Pentru prima dată, Harry Watts, un inginer englez care lucrează în SUA , a reușit să implementeze un astfel de design de suport de scule . Pentru a face acest lucru, a folosit o placă de ghidare cu un orificiu în formă de pătrat, în care un burghiu se putea deplasa radial, prins într-o „mandrina plutitoare” [50] . Brevetele pentru mandrina [51] și burghiu [52] au fost obținute de Watts în 1917. Noile burghie au fost vândute de Watts Brothers Tool Works [53] [54] . Un alt brevet american pentru o invenție similară a fost eliberat în 1978 [55] .
Un alt exemplu de utilizare poate fi găsit în motorul Wankel : rotorul acestui motor este realizat sub forma unui triunghi Reuleaux [6] . Se rotește în interiorul camerei a cărei suprafață este realizată în funcție de epitrocoid [56] . Arborele rotorului este legat rigid de roata dinţată , care este cuplată cu o roată dinţată fixă . Un astfel de rotor triedric se rostogolește în jurul angrenajului, atingând tot timpul pereții interiori ai motorului cu vârfurile și formând trei regiuni de volum variabil , fiecare dintre acestea fiind, la rândul lor, o cameră de ardere [6] . Datorită acestui lucru, motorul efectuează trei cicluri complete de lucru într-o singură rotație.
Motorul Wankel permite efectuarea oricărui ciclu termodinamic în patru timpi fără utilizarea unui mecanism de distribuție a gazului . Formarea amestecului, aprinderea , lubrifierea, răcirea și pornirea în acesta sunt în principiu aceleași ca în motoarele cu combustie internă alternativă convenționale [56] .
O altă aplicație a triunghiului Reuleaux în mecanică este un mecanism de tip clapetă care mișcă filmul cadru cu cadru în proiectoarele de film . Prinderea proiectorului Luch-2, de exemplu, se bazează pe triunghiul Reuleaux, care este înscris într-un cadru pătrat fixat pe un paralelogram dublu . Rotindu-se in jurul arborelui de antrenare , triunghiul misca cadrul cu dintele situat pe el . Dintele intră în perforația filmului, îl trage în jos un cadru și iese înapoi, apoi urcând la începutul ciclului. Traiectoria sa este cu cât mai aproape de pătrat, cu atât axul este mai aproape de vârful triunghiului (în mod ideal, traiectoria pătrată ar permite proiectarea cadrului pentru ¾ din ciclu) [6] [57] [58] .
Există un alt design grapple, bazat tot pe triunghiul Reuleaux. Ca și în primul caz, cadrul acestui prindere efectuează o mișcare alternativă, dar este deplasat nu de una, ci de două came , a căror funcționare este sincronizată cu ajutorul unui tren dințat [28] .
Capacele găurilor de vizitare pot fi realizate în formă de triunghi Reuleaux - datorită lățimii constante, nu pot cădea în trapă [59] .
În San Francisco , pentru un sistem de recuperare a apei , corpurile căminelor de vizitare au forma unui triunghi Reuleaux, dar capacele lor sunt formate ca triunghiuri echilaterale.
Triunghiul Reuleaux a fost folosit în mecanismele cu came ale unor motoare cu abur de la începutul secolului al XIX-lea . În aceste mecanisme, mișcarea de rotație a manivelei rotește triunghiul Reuleaux atașat tijei de împingere prin pârghii de transmisie, ceea ce face ca tija de împingere să se mire [63] . Conform terminologiei lui Reuleaux , această legătură formează o pereche cinematică „superioară” , deoarece contactul legăturilor are loc de-a lungul liniei, și nu de-a lungul suprafeței [64] . În astfel de mecanisme cu came, împingătorul, când ajunge în poziția extremă dreaptă sau stângă, rămâne nemișcat pentru un timp finit [63] [10] .
Triunghiul Reuleaux a fost folosit anterior pe scară largă în mecanismele cu came ale mașinilor de cusut în zig -zag.
Triunghiul Reuleaux a fost folosit ca came de către ceasornicarii germani în mișcarea ceasului de mână A. Lange & Söhne „Lange 31” [65] .
Pentru a muta obiecte grele pe distanțe scurte, puteți utiliza nu numai roți, ci și structuri mai simple, de exemplu, role cilindrice [66] . Pentru a face acest lucru, sarcina trebuie plasată pe un suport plat montat pe role și apoi împinsă. Pe măsură ce rolele din spate devin libere, acestea trebuie transportate și plasate în față [67] [66] . Omenirea a folosit această metodă de transport înainte de inventarea roții .
În această mișcare, este important ca sarcina să nu se miște în sus și în jos, deoarece scuturarea va necesita un efort suplimentar din partea împingătorului [67] . Pentru ca mișcarea de-a lungul rolelor să fie rectilinie , secțiunea lor transversală trebuie să fie o cifră de lățime constantă [67] [68] . Cel mai adesea, secțiunea era un cerc , deoarece buștenii obișnuiți serveau drept role . Totuși, o secțiune sub forma unui triunghi Reuleaux va fi la fel de bună [ clarifica ] și va permite deplasarea obiectelor în aceeași linie dreaptă [6] [67] .
Deși rolele în formă de triunghi Reuleaux permit deplasarea lină a obiectelor, această formă nu este potrivită pentru fabricarea roților, deoarece triunghiul Reuleaux nu are o axă fixă de rotație [69] .
Triunghiul Reuleaux este o formă comună de plectru (picătură): o placă subțire concepută pentru a cânta pe corzile instrumentelor muzicale ciupite .
Triunghiul Reuleaux este folosit ca element în siglele companiilor și organizațiilor, de exemplu: FINA ( Petrofina ) [70] , Bavaria [71] , Colorado School of Mines [72] .
În SUA , sistemul național de trasee și sistemul de trasee pentru biciclete sunt decorate cu triunghiuri Reuleaux [73] .
Forma butonului central al smartphone-ului Samsung Corby este un triunghi Reuleaux imbricat într-un cadru argintiu de aceeași formă. Butonul central, conform experților, este principalul element de design al părții frontale a lui Corby [74] [75] .
Tableta de ecstasy
Forma triunghiului Reuleaux este folosită și în scopuri arhitecturale . Construcția celor două arce ale sale formează un arc ascuțit caracteristic stilului gotic , dar este destul de rar în întregime în clădirile gotice [76] [77] . Ferestre în formă de triunghi Reuleaux pot fi găsite în Biserica Maicii Domnului din Bruges [9] precum și în Biserica Scoțiană din Adelaide [77] . Ca element ornamental , se găsește pe barele ferestrei abației cisterciene din comuna elvețiană Hauterives [76] .
Triunghiul Reuleaux este folosit și în arhitectura non-gotică. De exemplu, construit în 2006 la Köln , un turn de 103 metri numit „ Triunghiul Köln ” în secțiune transversală este exact această cifră [78] .
Fereastra Bisericii Maicii Domnului din Bruges | Fereastra Catedralei Sfântul Salvator din Bruges | Fereastra Catedralei Notre Dame | " Triunghiul Köln " |
Fereastra bisericii Sfântul Mihail din Luxemburg | Fereastra Bisericii Maicii Domnului din Bruges | Fereastra Catedralei Sfinții Mihail și Gudula din Bruxelles | Fereastra Catedralei Sfântul Bavo din Gent |
Conform cursului anterior al lui Johannes Itten , în modelul de corespondență „ideal” , o parte a spectrului fiecărei culori este în aceeași formă (figura geometrică). Culoarea verde este un „derivat”: rezultatul amestecării albastrului transparent și galben deschis (fără a include cele acromatice ), și deoarece în acest model corespund unui cerc și unui triunghi regulat, este figura numită de I. Itten a triunghi sferic, triunghiul Reuleaux, care corespunde verde.
În nuvela științifico-fantastică a lui Poul Anderson „ Roata triunghiulară” [79] , un echipaj de pământeni a aterizat pe o planetă a cărei populație nu folosea roți , deoarece totul era sub interdicție religioasă. La sute de kilometri de locul de aterizare, expediția terestră anterioară a părăsit un depozit cu piese de schimb, dar a fost imposibil să transferați generatorul nuclear de două tone necesar navei de acolo fără niciun mecanism. Drept urmare, pământenii au reușit să respecte tabuul și să transporte generatorul folosind role cu o secțiune sub forma unui triunghi Reuleaux.
Ideea de bază a triunghiului Reuleaux poate fi generalizată folosind pentru a crea o curbă de lățime constantă nu un triunghi echilateral , ci un poligon stelat format din segmente de linie de lungime egală [80] . Dacă din fiecare vârf al unui poligon în formă de stea desenăm un arc de cerc care leagă două vârfuri adiacente , atunci curba închisă de lățime constantă rezultată va consta dintr-un număr finit de arce de aceeași rază [80] . Astfel de curbe (precum și figurile delimitate de ele) se numesc poligoane Reuleaux [81] [82] .
O familie de poligoane Reuleaux de o anumită lățime formează o submulțime densă peste tot în mulțimea tuturor curbelor de lățime constantă (cu metrica Hausdorff ) [81] . Cu alte cuvinte, cu ajutorul lor este posibil să se aproximeze orice curbă de lățime constantă în mod arbitrar cu precizie [83] [82] .
Printre poligoane Reuleaux, există o clasă de curbe construite pe baza poligoanelor stelate regulate. Această clasă se numește poligoane Reuleaux obișnuite . Toate arcele care alcătuiesc un astfel de poligon au nu numai aceeași rază, ci și aceeași lungime [84] [* 8] . Triunghiul Reuleaux, de exemplu, este corect. Dintre toate poligoanele Reuleaux cu un număr fix de laturi și aceeași lățime, poligoanele regulate înglobează cea mai mare zonă [84] [85] .
Forma unor astfel de poligoane este folosită în monedă : monedele unui număr de țări (în special 20 [86] și 50 pence [87] Marea Britanie ) sunt făcute sub forma unui heptagon obișnuit Reuleaux. Există o bicicletă realizată de un ofițer chinez , ale cărei roți au forma unui triunghi obișnuit și a unui pentagon Reuleaux [88] .
Analogul tridimensional al triunghiului Reuleaux ca intersecția a trei cercuri este tetraedrul Reuleaux - intersecția a patru bile identice , ale căror centre sunt situate la vârfurile unui tetraedru regulat , iar razele sunt egale cu latura lui acest tetraedru. Cu toate acestea, tetraedrul Reuleaux nu este un solid de lățime constantă : distanța dintre punctele medii ale muchiilor curbilinii opuse care leagă vârfurile sale este
ori mai mare decât marginea tetraedrului regulat original [89] [90] .
Cu toate acestea, tetraedrul Reuleaux poate fi modificat astfel încât corpul rezultat să fie un corp de lățime constantă. Pentru a face acest lucru, în fiecare dintre cele trei perechi de muchii curbilinii opuse, o muchie este „netezită” într-un anumit mod [90] [91] . Două solide diferite obținute în acest fel (cele trei muchii pe care au loc înlocuirile pot fi luate fie ieșind din același vârf, fie formând un triunghi [91] ) se numesc solide Meissner , sau tetraedre Meissner [89] . Ipoteza formulată de Tommy Bonnesen și Werner Fenchel în 1934 [92] afirmă că aceste corpuri sunt cele care minimizează volumul dintre toate corpurile cu o lățime constantă dată, dar (din 2011) această ipoteză nu a fost dovedită [93]. ] [94] .
În sfârșit, corpul de revoluție obținut prin rotirea triunghiului Reuleaux în jurul uneia dintre axele sale de simetrie de ordinul doi este un corp de lățime constantă. Are cel mai mic volum dintre toate corpurile de revoluție de lățime constantă [90] [95] [96] .
Curbe | |||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Definiții | |||||||||||||||||||
Transformat | |||||||||||||||||||
Neplanare | |||||||||||||||||||
algebric plat |
| ||||||||||||||||||
Plat transcendental |
| ||||||||||||||||||
fractal |
|