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¿Cuál es la forma más difícil de rodar?

Yo estaba teniendo una discusión con un amigo acerca de las sucesivas formas diversas, en particular, lo que se forma es el peor de los rolling. Pensé que una rueda triangular puede ser particularmente malo en rolling mientras él sugirió una delgada rectangular rueda, acercándose a una placa, podría ser incluso peor como una rueda.

Hemos hablado de este lugar de manera informal por un tiempo, pero queríamos volver con las matemáticas, sin embargo, que realmente no podía pensar en una medida que captura la idea de "Cómo fácilmente un giro de la rueda". Así que pensé que me iba a pedir a algunas personas que son mejores en matemáticas. En qué medida puede ser utilizado para expresar la idea de ser fácil o difícil de rodar? Hay alguna literatura sobre laminado/de la rueda de la construcción?


Para empezar un poco voy a cubrir todas las ideas discutidas entre mi amigo y yo. Si estos son ineficiente o fuera de tema, dime y yo estaría feliz de editar.

La única manera de que podamos pensar para medir cómo de fácil es demasiado rollo era poner una en forma de rueda sobre una superficie plana con un muy alto coeficiente de fricción y la inclinación hasta que la rueda comienza a rodar. A continuación se toma el ángulo como la medición de roll-capacidad. Esto parece bastante agradable, ya que puede ser verificada a un cierto grado de precisión empíricamente (sin embargo, parece muy difícil conseguir las condiciones prístinas suficiente que las figuras se rodará en lugar de la diapositiva). Además de circular ruedas comenzará a rodar casi en ángulo 0, y todo va a rodar por el momento en que la superficie es vertical, esto es muy bueno porque le da una gama limitada permitido. El problema que vimos con esto es que sólo se mide la dificultad requerida para obtener la forma para empezar a rodar.

Por ejemplo, en la placa de la idea propuesta por mi colega lleva bastante cantidad de esfuerzo para empezar, pero una vez que comienza a rodar se va a rodar una media rotación muy fácilmente debido a que el borde delgado es muy inestable, al mismo tiempo, la forma triangular probablemente va a tomar mucho menos esfuerzo para empezar a rodar, pero una vez que se mueve sólo un rollo 3 de una rotación antes de regresar al punto de inicio.

Una nueva discusión que tuvimos fue sobre lo que se debe mantener constante cuando se comparan dos formas. Nuestra idea inicial era mantener la transversal son de las ruedas constante cuando la comparación de ellos, sin embargo, como pensamos que es más, pensamos que podría ser una buena idea comparar las formas con igual perímetro, debido a que las formas con mayor perímetro tienden a rodar más lejos. Mi amigo señaló sin embargo que las formas cóncavas han perímetro, que no contribuye a lo lejos la rueda, tal vez la distancia rodó por rotación podría ser una mejor medida.

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Nominal Animal Puntos 23

Resumen: Tu amigo es correcto en que una rectangular de la rueda con sus lados que tiene relación 2.95241:1 o mayor, requiere aún más energía para empujar por unidad de longitud de un triángulo, si después de cada empuje la rueda gira sólo un cuarto de vuelta (rectangular rueda) o tercer turno (triángulo equilátero de la rueda), y viene a una parada completa. Una barra plana (uno de los lados esencialmente cero) requiere más energía para empujar por unidad de longitud.


Para simplificar, vamos a suponer el caso en donde la forma se convierte a la siguiente vértice, y no de forma continua rollo. Esto significa que podemos ignorar el impulso hacia adelante, y sólo hay que mirar el potencial de los cambios de energía.

(En la práctica, algunos de la energía potencial se convierte en adelante en energía cinética, lo que significa que sólo el impulso inicial de las necesidades para superar la barrera de energía potencial, y el siguiente empuja sólo necesita "top" de la energía potencial/energía cinética para mantener el promedio de velocidad constante. Esto es un poco demasiado complejo para entrar en detalle aquí; considerar la posibilidad de pedir este en physics.stackexchange.com ir a "modo bestia" en los detalles reales.)

Deje $r$ ser el mínimo y el $R$ el radio máximo de la rueda. (Para los polígonos regulares, estos son los radios de los inscritos y circunscritos círculos, con los tres centros de la misma.)

En reposo, la altura del eje de la tierra es $r$. Para empujar la rueda de la siguiente vértice, tenemos que empujar el centro de peso sobre el vértice, y eso significa que tenemos que empujar para que el eje ascensores $R$ desde el suelo. Después de que el punto de inflexión, los giros de la rueda, pero lo suficientemente lento como para parar en el siguiente mínimo de estado de energía, convirtiendo a todos los que la energía potencial en el desperdicio de calor.

El cambio en la energía potencial en un cerca de la Tierra campo de gravedad es $\Delta E = m g h$ donde $m$ es la masa, $g$ es la aceleración de caída libre, y $h$ es el cambio en la altura (distancia desde el centro de la Tierra).

Si definimos nuestra rueda de manera que tiene de perímetro 1, empuje la rueda hacia delante 1 de la unidad que necesitamos para hacer el trabajo $$E = m g n (R - r)$$ donde $n$ es el número de vértices en la rueda.

(Por una circular de la rueda, $R = r$, por lo que no hay cambio de energía potencial. Recuerde, estamos ignorando el impulso hacia adelante, la fricción, y el de recuperación de energía cinética de la energía potencial; en este sentido, empujando una circular de la rueda es "sin esfuerzo", $E = 0$.)

Para un triángulo equilátero con lado de longitud $1/3$ (por lo tanto el perímetro $1$), $R = 1/\sqrt{27}$ y $r = 1/\sqrt{108}$. Por lo tanto, $$E_3 = m g \; 3 \left ( \frac{1}{\sqrt{27}} - \frac{1}{\sqrt{108}} \right ) = m g \frac{1}{\sqrt{12}} \approx 0.288675 m g$$

Para una rueda cuadrada con lado de longitud $1/4$ (por lo tanto el perímetro $1$), $R = 1/\sqrt{32}$ y $r = 1/8$, $$E_4 = m g \; 4 \left ( \frac{1}{\sqrt{32}} - \frac{1}{8} \right ) = m g \left ( \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{2} \right ) \approx 0.207107 m g$$

Un pentagonal rueda lado de longitud $1/5$ (por lo tanto el perímetro $1$), $R = 2/\sqrt{250 - \sqrt{12500}} \approx 0.170130$, $r = 1/\sqrt{500 - \sqrt{200000}} \approx 0.137638$, y $$E_5 = m g \; 5 \left ( \frac{2}{\sqrt{250 - \sqrt{12500}}} - \frac{1}{\sqrt{500 - \sqrt{200000}}} \right ) \approx 0.162460 m g$$

Para una rectangular de la rueda con un lado $w$, $0 \le w \le 1/2$, y el otro lado de la $1/2 - h$ (de modo que el perímetro es $2 h + 2 w = 1$), $R = \sqrt{w^2 + h^2}/4$, $r_1 = w/2$, $r_2 = h/2$, $E(0) = E_2$, es decir, $$E_4(w) = \left ( \sqrt{ 8 w^2 - 4 w + 1 } - \frac{1}{2} \right ) m g$$ que alcanza el máximo en $w = 1/2$, $h = 0$ (o $w = 0$, $h = 1/2$), es decir, una barra plana de la rueda, con $$E_2 = m g \frac{1}{2} = 0.5 m g$$and minimum at $w = h = 1/4$, a square wheel, $E_4 = (1/sqrt(2) - 1/2 ) m g \aprox 0.207105 m g$.

Curiosamente, de planta rectangular con los lados de la rueda $1/4 \pm \sqrt{\sqrt{3} - 1} / \sqrt{48}$ ($\approx 0.373495, 0.126505$) requiere el mismo esfuerzo como un triángulo equilátero de la rueda. Esto significa que una rectangular de la rueda con una proporción mayor de $(1/4 + \sqrt{\sqrt{3} - 1}/\sqrt{48})$:$(1/4 - \sqrt{\sqrt{3} - 1}/\sqrt{48})$ requiere más energía para empujar por unidad de longitud, de un triángulo equilátero de la rueda.

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