Karuzela (diabelski młyn)

Data ostatniej modyfikacji:
2011-07-2
Autor: 
Krzysztof Omiljanowski
pracownik IM UWr
Poziom edukacyjny: 
gimnazjum
szkoła średnia z maturą
szkoła profilowana zawodowa
Dział matematyki: 
geometria przestrzenna

Karuzela - koło młyńskie o promieniu R - kręci krzesełkami, to w górę, to w dół. Siedzisko krzesełka jest kołem o promieniu r. To koło wymiata w przestrzeni pewną bryłę. Co to za bryła? Zobaczymy poniżej.
Na wstępie zauważmy, że środek siedziska, jak każdy punkt tego koła, kręci się po okręgu o promieniu R (dlaczego?).

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.

 

Na początek pomyślmy o pewnym uproszczeniu tej karuzeli. Zamiast kręcić krzesełkami, karuzela przesuwa je wzdłuż obwodu kwadratu (wpisanego w koło o promieniu R). Teraz każdy punkt krzesełka 'zatacza' brzeg kwadratu.
[Zwiększ T, zobaczysz wymiataną linię.]

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Uprośćmy też krzesełko, niech będzie odcinkiem o długości 2r.
Jaką powierzchnię wymiata ten odcinek? Jakie jest pole tej powierzchni?
Łatwo podać odpowiedź, gdy kąt = 90o.
Trochę trudniej, gdy = 0o.
A jak jest dla = 45o ?
[Zwiększ T do 1, zobaczysz 'całą' powierzchnię. Warto też popatrzeć 'z góry'.]

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Niech teraz krzesełko będzie kwadratem (wpisanym w koło o promieniu r).
Jaką bryłę wymiata ten kwadrat? Jaka jest objętość tej bryły? Jakie jest jej pole powierzchni?
Łatwo podać odpowiedź, gdy kąt = 45o.
Trochę trudniej, gdy = 0o.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Niech teraz krzesełko będzie trójkątem równobocznym (wpisanym w koło o promieniu r).
Jaką bryłę wymiata ten trójkąt? Jaka jest objętość tej bryły?
Widać, że najważniejsze jest zrozumienie, jak nachodzą na siebie dwie części tej bryły.
Zbadaj przypadek = 0o.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Powróćmy do karuzeli w kształcie koła (o promieniu R).

Kwadratowe krzesełko, ustawione jak na rysunku ( = 45o), wymiata bryłę, którą można od biedy nazwać walcem. Jaka jest jego podstawa?
(Obliczenie pola powierzchni tej podstawy wymaga znajomości trygonometrii.) 

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Obracając kwadratowe krzesełko, dostajemy jeszcze trudniejsze i ciekawsze bryły.

Gdy r = R i = 0o, to znika dziura w środku. Zostaje tylko wgłębienie. Jaki ma kształt?

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

 


 

Gdy krzesełko jest okręgiem o promieniu r (nie kołem), to wymiata pewną powierzchnię. Powierzchnia ta jest zamknięta, ma dwie zasklepione części. Z góry i z dołu powstają lejki.
To nie są normalne lejki, nie są bryłami obrotowymi.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.
Można przesuwać suwaki i 'wypełnione' punkty.

 

Poniżej pokazujemy je z różnych stron.
Jako pierwszy przypadek r = 0,75 R.

 

Poniżej widać (w powiększeniu) połówkę jednego lejka (przypadek r = 0,75 R).

 

Poniżej całkiem zasklepiona powierzchnia, przypadek r = R.

 

Poniżej widać (w powiększeniu) połówkę jednego lejka (przypadek r = R).

 

Powrót na górę strony