动静之机 发表于 2010-11-15 08:49:53

只有一个稳定平衡点的均质物体

本帖最后由 动静之机 于 2010-11-15 10:16 编辑




http://player.youku.com/player.php/sid/XMTYxMTQzMDk2/v.swf

http://www.gomboc.eu/gomboc.swf

http://www.gomboc-shop.com/swf/intro.swf


数学背景





凸面和均质是GOMBOC (字母O上面有来年各个小点哦)的主要特性。
不倒翁是非均质物体拥有GOMBOC一样行为的简单例子。
同样,因为凹面体不能通过表面圆周滚动,也很容易创造出GOMBOC均质凹面体

http://gomboc.eu/file/egyeb/EMq3mat01.jpg
凹面GOMBOC平面图.

只拥有唯一一个稳定平衡点的形状称作单静态体,同时拥有另外一个非稳定平衡点的称为单一单静态体。
GOMBOC是第一个凸面均质单一单静态体。


平面GOMBOC

由于物体重心(G)作用,平面凸形在极坐标系中规定为函数R(a)。

在水平面上,所有物体都朝着重心降低的方向滚动。 R随着地面降低而变小。

当dR/da = 0时出现平衡点。R (d2R/da2 > 0)为最小值时,是稳定平衡点,当R((d2R/da2 < 0)为最大值时,是非稳定平衡点。R最小值后出现转而最大值,反之亦然。因此,出现稳定平衡点和非稳定平衡点次数相当。另外,下面原理也可以被证明:


原理 1:
所有平面凸均质体至少有2个稳定和2个非稳定平衡点。

如果物体只有一个平衡点,相应函数R(a)图就只能有一个最大值和最小值。
用直线 R = R0 将物体分成两部分,函数 R > R0 和 R < R0 具有相等((长度 p)水平投影。

相当于穿过重心G的直线相应把物体切割成薄(R < R0)和厚 (R > R0)两部分,
支撑面沿着直线。
但是达到平衡的条件是G点不在直线上,应该在厚点的这半部分,这与之前所述G点在直线上相矛盾,由此得出原理1正确。


http://gomboc.eu/file/egyeb/q7q9mat02.jpg
编号为 R(a)的函数图(右)以及相对应的物体(左)
正如我们所证明的,不存在平面的GOMBOC型物体。这个令人惊讶的简单事实是典型数学原理的物理模拟:
四顶点定理:: 一条简单封闭曲线曲率至少有四个局部极值


有关四顶点定理有众多的概括和相关几何定理,有时这些统称为四顶点定理。
如果不存在三维GOMBOC,这个事实将成为四顶点定理家族中的又一新成员。

有关GOMBOC的基本概念



类似于平面物体,三维体可以定义为重心作用下球坐标系中的函数R(j,q)

http://gomboc.eu/file/egyeb/G8Inmat03.jpg

三维体在球面坐标系中的定义


区域最小值和最大值R对应稳定平衡点和非稳定平衡点,物体在R的鞍部还有另外一个平衡点。
根据庞加莱-霍普夫(Poincaré-Hopf)理论,球体内所有同型物体,在这三种情况下,平衡值(由s, u, t,分别代表)都满足s + u - t = 2。定理1的三种假定情况:




[*]a) s > 1,
[*]b) u > 1,
[*]c) s + u> 2,

a) 和 b)很容易被驳倒
s = t = 1, u = 2时,s > 1为否,

http://gomboc.eu/file/egyeb/itoImat04.jpg



i > 1 时u = t = 1, s = 2

http://gomboc.eu/file/egyeb/Voqzmat05.jpg



第三种情况可能性存在于G&ouml;mb&ouml;c本身:是否存在三维凸面均质s = u =1(t=0)的物体?
我们可以进一步延伸平面理论来证明这种物体存在的不可能性。
假设存在这种形状物体,对应函数R(j,q)就只能有一个最小值和一个最大值。
平面物体用R = R0分割成薄厚相同尺寸的两部分(以重心点G作为分割,两部分的空间角度相同)。
如果切割的线条是平面曲线(如:圆),则得出类似二维体的矛盾。
如果是空间曲线,则是类似网球的曲线。
物体分割成上下厚薄两部分,无法证明G点一定在上半部分。
由此得出平面理论并不适用于三维体。


http://gomboc.eu/file/egyeb/43Mamat06.jpg

分割单一单静态体厚(黄色)薄(绿色)两部分的直线是有可能,但并不一定在一个平面上。

论证的失败为GOMBOC的空间形状提供了新的想法。
运用双参数闭合公式,可以分析出适当参数值得出s = u = 1物体。
受凸面体限制,构造出的物体近似于球体。
构造出的形状可以从理论推断出存在GOMBOC可能性,但是否具有单一单静态体(从视觉上可以明显看出)特性仍然是个疑问。



http://gomboc.eu/file/egyeb/IMjFmat07.jpg

应用于论证的双参数物体图形

“真正的"GOMBOC

通过理论论证为什么不能找到一个具有特殊形状的物体?
是因为论证公式不好还是因为失败背后隐藏着更深层的原因?
GOMBOC具有类似球体的形状,但在罗得岛上2000多个卵石中也没能找到这种形状,这种形状如果离球体“很远"就不可能是s = i = 1。尽管寻找这种物体很困难,但是通过另一种途径却可以构造出GOMBOC的形状。以下的图示是基于网球的理念。它表面由简单图形组成(圆柱,椭圆形,锥形)和平面。显而易见,这种形状属于凸面体。通过数值积分算出其重心应稍低于原先的位置,通过这些事实,我们可以简单判断出这个形状属于单一单静态体。当然,无数的形状都可以有这些特性,而以下图形只是其中的一种。构造出来的GOMBOC样品略有不同:它由很多图块组成,这使得稳定平衡特性更健全,滚动物体的力学表现更加直观。


http://gomboc.eu/file/egyeb/bdhTmat08.jpg
简单的图块拼接到一起构成GOMBOC


http://gomboc.eu/file/egyeb/EOJWmat09.jpg

在R=稳定的情况下,GOMBOC的轮廓线能明显具有网球形状



官网 www.gomboc.eu

网店 www.gomboc-shop.com

huangzyu2301 发表于 2010-11-21 12:10:40

看不明白
               

bluesky-lee 发表于 2010-11-23 12:36:35

厲害,要計算好,加工的很精確,有創意

WANG888 发表于 2011-9-4 03:32:31

太厉害了,精确度这么高,是用硬质合金刀片做的吧
页: [1]
查看完整版本: 只有一个稳定平衡点的均质物体