旋轮线顾名思义就是一个旋转的轮子上某点画出的轨迹,又叫做摆线。它的图像与参数方程如下图所示:
在这里,a是轮子的半径。请注意,这个轮子是只滚动不打滑的,物理上叫做“无滑滚动”。而且,这个滚动是匀速的,不像有的人骑自行车,是忽快忽慢的。
角度theta当然就是转动角了,很明显,当theta从0开始变360度的时候,整个曲线就会重复。
那么,怎么样才能写出这个曲线方程呢?
我们可以把运动分解为两部分,x方向与y方向,我们用参数方程把这两部分写出来就可以了。
x方向是均匀直线运动再叠加上一个旋转运动在x方向的投影。旋转运动在x方向的投影其实是一个简谐振动,我们把时间t用角度theta来表出——因为旋转是均匀的,所以时间t与转动角theta成正比,比例系数是角速度。这样,我们就得到了x方程的运动方程。
y方向其实就很简单了,它是旋转运动在y方向的投影,所以它是一个简谐振动。因此,我们把y方向的运动方程也能写出来。
这样,我们就得到了x与y方向的运动方程了。
旋轮线方程就是上面的方程组。你可以把角度theta消除,就可以得到x与y的关系。当然了,这个事情不好干,不如写成参数方程的样子就好了。
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