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正五边形

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正五边形对角线与高 的关系
通过对正五边形的考察,从一开始我们列出的等式可以发现这个问题的本质,我们发现,当边的数量越多时,对角线和高就越接近 。
当高与对角线的长度差距越大时,越容易掉落井口里,因为在落下的过程中,可以翻转的角度和空间越百思特网多 。当高与对角线的长度逐渐逼近时,此时在落下的过程中,翻转角度就显得不是那么容易实现了 。

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推广到无穷多边形时,满足条件的井盖自然是圆形的
于是,我们很自然地推广到,当边数无穷大的时候,也就是圆时,此时,高和对角线会越来越接近,到最后就分不清多边形的高和对角线了 。因此我们无论怎么翻转圆形井盖,圆始终都会与井盖牢牢卡住,从而掉不进去 。
那么现在问题来了,是不是只有圆形井盖落不到井口下面去?当然不是,圆形并不是能否掉落井盖的根本原因,根本原因在于那句话 。
只要在翻转图形的过程中,图形宽度始终保持一致即可 。
圆形在任何角度上观察,图形占据的宽度都是相同的,这样就导致了圆形在下落过程中,翻转动作以规避井口的操作无效 。我们把这种性质叫作等宽性,只要我们能再找出一种满足等宽性的图形,那就可以新发明一种“井盖”了 。

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莱洛三角形画法

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莱洛三角形滚动
你可能在某些场合见过下面这样的图形 。画法也很简单,将3个等半径的圆以对称中心120度间隔相交而成的圆弧三角形,这种三角形看似胖胖憨憨,但是却有着不同寻常的性质 。你用一对平行线在任何角度去测量其宽度,宽度都是一致的 。这种三角形叫作莱洛三角形,这个定义由十九世纪的德国工程师Franz Reuleaux命名 。也正是基于这个性质,莱洛三角形是井盖问题一个经典答案 。

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德国工程师 弗兰兹 莱洛
这个看似简单的胖三角,是最简单的等宽曲线,想象一下这个神奇的性质 。在一个平面下安装几个这样的莱洛三角形作为轮子,任你移动平面,你也不会感觉到平面会有丝毫的起伏不稳 。这个时候有同学又在疑问了,既然莱洛三角形任意移动宽度始终一致,那可不可以做车轮呢?答案是几乎不可以 。为什么呢?

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骑上莱洛三角形为轮子的自行车
虽然说莱洛三角形在任何旋转情况下,图形的宽度不会改变,然而其旋转中心点却在实时波动 。想象一下,如果骑自行车用莱洛三角形做车轮,前后轮轴承的位置就是旋转中心,而这个中心总是忽高忽低,这样这个车可以骑,但是在平面上却有着骑跷跷板的感觉,仿佛感觉不是特别美好 。不过有人却从这种怪异的胖三角形里得出灵感来,创造了一件伟大的发明 。

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滚动莱洛三角形时,平面丝毫不动
德国人菲加士汪克尔注意到莱洛三角形在直线上翻转时,上下宽度总是一样,旋转中心是中间区域的一个小圆形 。如果以莱洛三角形为转子,在这个转子中间再加上偏心轴,再构造一个特定的腔体,不就可以规避掉旋转过程中心波动问题,并且还可以使得转子持续转动下去做功了么?

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【为什么井盖基本上都是圆形的 井盖为什么是圆的】转子发动机发明人 菲加士汪克尔
然而莱洛三角形是有3个明显的角的,这3个尖角在实际加工过程中是不容易实现的,而且转子在高速转动时,必然会带来更多的磨损,因此用尖角是不可行的 。于是汪克尔采用了变形了的莱洛三角形,也就是让一个圆在原先的莱洛三角形边上滚动一圈,以这个圆的最大边缘的轨迹重新构造一个改进的莱洛三角形 。可以想象,若这个外围的圆相对于莱洛三角形的直径越百思特网大,最后的轨迹就将越圆滑 。我们仍然可以证明这样的曲线是等宽曲线,因此用这样的圆滑莱洛三角形来作为发动机转子将更加适合 。
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