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← 日常曲线 / ALL CURVES运动与轨迹FIELD NOTE 04 / 09
轮缘上的一个小标记
CYCLOID

摆线。

车还在走, 这个点怎么停了?

路边 / 轮胎上的一个点
FIG. 04 / 运动与轨迹GEOMETRIC MODEL
x = r(t − sin t) · y = r(1 − cos t)
01 / DIAGRAMS

一个点,
同时参与两种运动。

在轮胎最外缘做个小标记。推着车走时,标记画出一串拱,而在接触地面的瞬间,它相对地面静止。

CYCLOID01 / 03

灰箭头表示平移,金色表示相对圆心的转动,绿色表示合速度;长度按同一比例绘制。

SCROLL TO UNFOLD ↓
01 / OBSERVE

只看圆心,它走的是直线。

圆轮在桌面上无滑动地滚动。圆心的高度固定,每转过一段角度,圆心前进的距离正好等于滚过的圆弧长度。

圆心前进距离 = rθ
02 / OBSERVE

再看边缘,它还绕着圆心转。

标记同时参与两种运动:被圆心带着向前走,又相对圆心绕一圈。把这两种位移相加,就得到它相对桌面的真实轨迹。

x = r(θ − sin θ) · y = r(1 − cos θ)
03 / OBSERVE

最低点抵消,最高点叠加。

接触地面的瞬间,向前的平移速度与向后的转动速度大小相等。最高处则都朝前,速度变成圆心的两倍。这也是尖点出现的原因。

最低点 v = 0 · 最高点 v = 2v₀
02 / YOUR TURN

停在车轮的最低处。

拖动进度,或点击「接触地面」「车轮顶部」。打开速度分解,比较两个位置的合速度。

LIVE GEOMETRY / CYCLOID04 / 09
x = r(t − sin t) · y = r(1 − cos t)
03 / TRY IT OFFSCREEN

拿一卷胶带,
在桌上滚一圈。

TRY THIS / 实物试一试

轮胎上的一个点

在胶带卷的外缘做个小标记,沿桌面缓慢滚动。注意标记碰到桌面的那一刻,再和它转到最高处时比较。

MODEL / 模型的适用条件

要求圆轮无滑动地沿直线滚动。自行车气门嘴通常在轮缘内侧,轨迹是短幅摆线,通常不会形成尖点。

参考资料:摆线 ↗
CYCLOID / 04

即使轮心匀速前进,轮缘上的点也会时快时慢。

放在一起看 / ANOTHER CONNECTION渐开线一根绷紧的线,慢慢解开一个圆。