Rolling cones

Data ostatniej modyfikacji:
2011-09-23
Autor: 
Krzystzof Omiljanowski
pracownik IM UWr
Poziom edukacyjny: 
gimnazjum
szkoła średnia z maturą
szkoła profilowana zawodowa
szkoła wyższa
Dział matematyki: 
geometria przestrzenna

Gdy przewrócimy stożek (o wysokości h i promieniu podstawy r), można go potoczyć.
Zakładamy, że stożek toczy się bez poślizgu, a jego wierzchołek W stoi w miejscu.
Jak się toczy? Zobaczmy.

Zacznijmy od szczególnego przypadku, gdy przekrój osiowy stożka jest trójkątem prostokątnym, = 90o, czyli gdy r = h.

 

Ten stożek, tocząc się, 'wymiata' w przestrzeni pewną bryłę. Jaką?

Oczywiście podstawą tej bryły jest koło o środku W i promieniu (długość tworzącej stożka), a wysokość tej bryły jest równa .

Może wydawać się, że szukana bryła jest także stożkiem (ale o promieniu podstawy i wysokości równej ). Tak nie jest. Zobacz, że okrąg podstawy toczącego się stożka 'rzeźbi' przestrzeń bardziej niż średnice podstawy.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.

 

Toczący się stożek wymiata w przestrzeni półkulę o promieniu , bo 'najdalsze ostrza' stale są w odległości od W. Zapewne widzisz to, choć nie jest to narysowane :)

 


 

ZADANIE 1. Oblicz objętość bryły wymiatanej przez toczący się stożek, gdy:

      a)   r = 3,  h = 4,

      b)   r = 4,  h = 3.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.

 

 


 

Popatrzmy na trajektorię ustalonego punktu P okręgu podstawy stożka, to znaczy na linię, jaką przebiega punkt P, gdy stożek toczy się wokół W.

 

Rysunek utworzono za pomocą programu C.a.R.

 

Ta linia leży na sferze (o środku W i promieniu ). Dlaczego?

Zobacz, że cały okrąg podstawy leży stale na tej sferze i toczy się po równiku tej sfery. Dlatego trajektorię punktu P można nazwać cykloidą sferyczną.
Zwykła cykloida, to linia wyznaczona przez punkt okręgu toczącego się po prostej.

Tylko w szczególnych przypadkach cykloida sferyczna jest linią zamkniętą.
Na przykład, gdy h = r trajektoria ma dwa 'kawałki'. Sprawdź.

ZADANIE 2. Niech toczący się stożek ma r = 1. Wyznacz h, dla którego cykloida sferyczna (tzn. trajektoria punktu P) ma:

      a)   3 'kawałki',

      b)   4 'kawałki',

      c)   17 'kawałków'.

 

 


 

Powrót na górę strony