星形线
内摆线的一种
星形线是内摆线的一种。
简介
星形线(Astroid)星形线的方程
直角坐标方程:x2/3+y2/3=a2/3
参数方程:x=a*(cost)3,y=a*(sint)3 (t为参数)
它所包围的面积为3πa2/8。
它与x轴围成的区域绕x轴旋转而成的旋转体表面积为12πa2/5。
体积为32πa3/105。
详细介绍
星形线(astroid)或称为四尖瓣线(tetracuspid),是一个有四个尖点的内摆线,也属于超椭圆的一种。所有星形线皆可以依以下的方程式比例缩放而得:
其英文名称得名自希腊文的星星,星形线几乎和椭圆渐屈线相同。
若让一个半径为1/4的圆在一个半径为1的圆内部,延著圆的圆周旋转,小圆圆周上的任一点形成的轨迹即为星形线。星形线的参数方程为:
星形线是一个几何亏格为0代数曲线的实数轨迹,其方程式如下:
因此星形线为六次曲线,在实数平面上有四个尖瓣的奇点,分别是星形线的四个顶点,在无限远处还有二个复数的尖瓣的奇点,四个重根的复数奇点,因此星形线共有十个奇点。
星形线的对偶曲线是十字架形曲线,其方程式为。星形线的渐屈线为另一个二倍大的渐屈线。
一个半径为 a之圆的内摆线构成的星形线,其面积为,周长为6a。
星形线的性质
最先对星形线进行研究是Johann Bernouli。星形线由于有四个尖端,所以有时也被称为四尖内摆线(tetracuspid)。星形线于1836年被正式定名,首次出现在正式出版的图书(出版于维也纳)中。星形线还有许多有趣的名称:cubocycloid和paracycle。
若星形线上某一点切线为T,则其斜率为tan(p),其中p为极坐标中的参数。相应的切线方程
T: x*sin(p)+y*cos(p)=a*sin(2p)/2 。
如果切线T分别交x、y轴于点x(X,0)、y(0,Y),则线段xy恒为常数,且为a。
星形线是由半径为a/4的圆在半径为a的内侧转动形成的。
第一象限星形线也可表示为靠在Y轴上一个线段在重力作用下扫过的图形的包络曲线
(阴影里的另一个弧是圆的一部分以做对比)
星形线的应用
星形线与汽车门
我们知道,世界上有许多伟大的建筑,门的设计也是建筑家特别注意的。但是,最普通的门只有两种:完整一扇和对开的两扇。普通的房门是完整的一扇,一般的校门是对开的两扇,而公共汽车的门不但是对开的两扇,而且每一扇都由相同的两半用铰链铰接而成。开门关门时,以靠近门轴的半扇绕着门轴旋转,另半扇的外端沿着连接两个门轴的滑槽滑动,开门时一扇门折拢成为半扇,关门时又重新伸展成一扇。公共汽车的这个特殊门是根据星形线设计制造的。
星形线像夜空中光芒四射的星星,因此得名。在纸上任意作若干条长度为R的线段,使它们的两端分别在x轴和y轴上,然后在每一象限里画一段光滑的曲线弧,使它们与这些线段相切,这样一条星形线就画出来了。由画图过程可以看出,星形线是由一组直线包络构成的。
一扇折叠式的公共汽车车门可以表示成平面形式,其中O是门轴,OB为滑槽。在车门开闭过程中,定长BC的两端分别沿x轴和y轴滑动,因此可得到一条星形线,但由于车门只是在第一象限活动,所以一扇车门实际活动的过程如上图的形状,它是由圆弧MN和星形线弧NP构成。也就是说这扇车门活动的范围,由扇形OMN的面积、三角形ONQ的面积与星形线弧所组成的曲边三角形面积的和所组成。
参考资料
最新修订时间:2024-03-31 23:19
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概述
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