Hans Walser, [20110920a]
Reuleaux-Dreiecke
Anregung: J. R., K.-L.
Die Abbildung zeigt ein Reuleaux-Dreieck.
Reuleaux-Dreieck
Es entsteht aus einem gleichseitigen Dreieck, das durch Kreisbogen ergŠnzt wird. Das Reuleaux-Dreieck hat einen konstanten Durchmesser, ist also wie der Kreis ein ãGleichdickÒ. Zylinder (Walzen) mit einem Reuleaux-Dreieck als Querschnitt kšnnen also zum Abrollen eines Rollgutes benutzt werden, wobei der Abstand des Rollgutes vom Boden konstant ist.
Der Mittelpunkt des Reuleaux-Dreieckes (mit Mittelpunkt ist der FlŠchenschwerpunkt gemeint, oder gleichbedeutend das Zentrum der dreistrahligen Drehsymmetrie) mit dem Durchmesser 2 beschreibt beim Abrollen folgende Kurve.
Rollkurve
In der Abbildung ist die untere schwarze Linie der Boden, die obere schwarze Linie die Unterkante des Rollgutes.
Die Mittelpunkts-Rollkurve setzt sich aus Kreisbšgen (rot, grŸn, blau) und verkŸrzten Zykloidenbšgen (gelb, cyan, magenta) zusammen. Der rote Kreisbogen entsteht durch Abrollen im den roten Punkt, der gelbe verkŸrzte Zykloidenbogen durch Abrollen auf dem gelben Kreisbogen des Reuleaux-Dreieckes. Entsprechend die Ÿbrigen Teile der Rollkurve.
Die folgende Abbildung zeigt die roten Kreisbogen zum Kreis ergŠnzt und ebenso die gelben verkŸrzten Zykloidenbogen zur verkŸrzten Zykloide ergŠnzt, das Ganze Ÿber drei PeriodenlŠngen.
ErgŠnzung der Bšgen
Wir sehen, dass ein Zykloidenbogen jeweils erst nach einer Doppelperiode wieder aktiv wird.
a) Die Rollkurve ist also nicht symmetrisch. Das ist schwer einzusehen, da doch Boden und Unterkante des Rollgutes vertauscht werden kšnnen.
b) Zudem ist es so, dass die Kreisbšgen mit Zirkel und Lineal gezeichnet werden kšnnen, die Zykloidenbšgen nicht. (Letzteres folgt daraus, dass bei der gewšhnlichen Zykloide die Spannweite dem Umfang des abgerollten Kreises entspricht, der Kreisumfang kann aber nicht mit Zirkel und Lineal gezeichnet werden).
Die Frage
b) kann sofort beantwortet werden: Auch die Kreise kšnnen nicht mit Zirkel und
Lineal gezeichnet werden. — Wie bitte? — Die Mittelpunkte
der roten Kreise zum Beispiel haben einen horizontalen Versatz von , das kann nicht mit Zirkel und Lineal gezeichnet werden. Wir
kšnnen also den rot-grŸn-blauen Teil der Rollkurve zwar bogenweise mit Zirkel
und Lineal zeichnen, nicht aber als Gesamtheit. — Wir werden im folgenden
sehen, dass die Kreis SonderfŠlle von verlŠngerten Zykloiden sind.
Auf einem Rad mit Radius r bringen wir einen Zeichenstift an, der vom Radmittelpunkt den Abstand s hat. Wir das Rad abgerollt, beschreibt der Zeichenstift eine Zykloide, und zwar:
Die
Abbildung zeigt rot die gewšhnliche Zykloide, grŸn die verkŸrze Zykloide mit und blau die
verlŠngerte Zykloide mit
. Es sind drei PeriodenlŠngen gezeichnet.
Gewšhnliche, verkŸrzte und verlŠngerte Zykloide
Die
gewšhnliche Zykloide hat Umkehrpunkte auf dem Boden. Die verkŸrzte Zykloide
berŸhrt den Boden nicht. Die verlŠngerte Zykloide hat Schlaufen, die unterhalb
des Bodens reiche. Eine verlŠngerte Zykloide mit ist ein Kreis mit
Radius s.
Die
folgenden Reuleaux-Dreiecke haben alle den Durchmesser 2 und damit den Umfang . Mit dem Parameter p
bezeichnen wir den Radius der drei kleinen Bšgen (rot, grŸn, blau). In der
folgenden Abbildung ist
.
Verallgemeinertes
Reuleaux-Dreieck mit
FŸr erhalten wir das
gewšhnliche Reuleaux-Dreieck, fŸr
den Kreis.
Gewšhnliches Reuleaux-Dreieck und Kreis
FŸr erhalten wir das Marktbreit-Dreieck. Die kleinen Kreisbšgen
(rot, grŸn, blau) sind Teil der kanonischen Kreisrosette.
Marktbreit-Dreieck. Kreisrosette
FŸr erhalten wir im
Prinzip dasselbe wie fŸr
, aber mit vertauschten Farben.
und
FŸr ergibt sich ein
nicht konvexes Gleichdick. Der konstante Durchmesser muss als Innenma§ mit den
ãkleinenÒ Messschenkeln der Schublehre (Messschieber) verifiziert werden.
Nicht
konvexes Gleichdick fŸr
Bei stark
negativem p erkennen wir, dass das
Reuleaux-Dreieck ein Mšbius-Band (konstanter Breite) ist. Die folgende
Abbildung zeigt den Fall .
Mšbiusband
()
FŸr lassen sich die
gro§en Kreisbšgen (cyan, magenta, gelb) in die kanonische Kreisrosette
einbetten.
Nochmals Kreisrosette
So weit so gut. Und nun die Mittelpunkts-Rollkurven. Vorerst aber noch eine Zwischenbemerkung.
Wir denken uns eine Walze mit dem Einheitskreis als Querschnitt sowie verschiedene Walzen mit allgemeinen Reuleaux-Dreiecken mit gleichem Durchmesser 2 als Querschnitt. †ber diese (parallel ausgerichteten) Walzen legen wir eine Platte und rollen so ab, dass sich der Einheitskreis gleichmŠ§ig dreht. Die Frage ist, ob sich auch die Reuleaux-Dreiecke gleichmŠ§ig drehen.
Die Frage ist nicht trivial. Es ist ja auch zum Beispiel so, dass sich bei einem angewinkelten Kardangelenk eine gleichmŠ§ige Drehbewegung nicht gleichmŠ§ig ŸbertrŠgt.
Die Frage
konnte ich nur differenziell angehen. Wenn sich der Einheitskreis um dreht, bewegt
sich die Platte um
. Es sei nun
die Drehgeschwindigkeit
eines Reuleaux-Dreiecks mit dem Parameter p.
Zum kleinen Radius p gehšrt der gro§e
Gegenradius
. Somit ist:
Es ist
also ; die beiden Drehgeschwindigkeiten sind gleich. Wir kšnnten
daher den fŸr den Einheitskreis gŸltigen Drehparameter t auch fŸr die Reuleaux-Dreiecke verwenden.
Die
folgende Abbildung zeigt die Mittelpunkts-Rollkurve fŸr . Es sind zwei Perioden dargestellt.
Mittelpunkts-Rollkurve
fŸr
In der folgenden Abbildung sind der erste rote Bogen und der erste gelbe Bogen in extenso gezeichnet.
Bogen in
extenso fŸr
Die rote
Kurve ist eine (knapp) verlŠngerte Zykloide, die gelbe Kurve eine verkŸrzte
Zykloide. Erschreckend sind aber die unterschiedlichen PeriodenlŠngen. Die rote
Kurve hat die PeriodenlŠnge , die gelbe Kurve die PeriodenlŠnge
.
Dazu ein
zweites Beispiel, nŠmlich .
Wir haben
fŸr die rote Kurve die PeriodenlŠnge , fŸr die gelbe Kurve die PeriodenlŠnge
. Beide Kurven sind verkŸrzte Zykloiden.
FŸr die PeriodenlŠngen gilt:
Das
ergibt sich daraus, dass p und die Radradien der
beiden Zykloiden sind.
Wenn p irrational ist, wird eine Zykloide keinen weiteren Bogen mehr abdecken.
FŸr erhalten wir das
Marktbreit-Dreieck. Die rote Kurve seiner Mittelpunkts-Rollkurve ist eine
exakte gewšhnliche Zykloide. Das ergibt sich daraus, dass der Mittelpunkt des
Dreiecks auf den kleinen Kreisen liegt. Es ist also der Stiftradius gleich dem
Radradius. Die Kurven passen genau in den Zwischenraum zwischen Boden und
Rollgutunterkante.
Gewšhnliche Zykloide
Wie kann das Abrollen eines nicht konvexen Reuleaux-Dreiecks mechanisch realisiert werden?
Die
folgende Figur zeigt die Mittelpunkts-Rollkurve fŸr den Fall . Wir haben die PeriodenlŠngen
fŸr die rote
Kurve und
fŸr die gelbe
Kurve.
Bis jetzt hatten wir alles in einem ortsfesten (bodenfesten) Koordinatensystem beschrieben. Als Illustration nochmals den Fall des gewšhnlichen Reuleaux-Dreiecks im ortsfesten Koordinatensystem. Wir haben unten Kreise und oben verkŸrzte Zykloiden.
Ortsfest
Nun
lassen wir das Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit nach rechts wandern.
Vorstellung: Wir bewegen eine Kamera.
Durch das Bewegen der Kamera wird die Vorschubgeschwindigkeit bei den Zykloiden verŠndert. Geometrisch hei§t das, dass der Radradius verŠndert wird und die Abrollgerade entsprechend verschoben. Die Kurven bleiben also nach wie vor Zykloiden.
FŸr bewegt sich die
Kamera mit dem Rollgut. FŸr das gewšhnliche Reuleaux-Dreieck sehen wir ãvom
Schiff ausÒ nun oben die Kreise (magenta, cyan, gelb) und unten die verkŸrzten
Zykloiden.
Vom Schiff aus
FŸr haben wir den
Mittelpunkt des Reuleaux-Dreiecks im Fokus. Die folgende Abbildung zeigt die
Situation fŸr das gewšhnliche Reuleaux-Dreieck. Die drei oberen und die drei
unteren Kurven Ÿberlagern sich. Sie sind symmetrisch.
Bewegung des Mittelpunktes
Gezoomt (Faktor 10) erhalten wir die folgende Abbildung.
Bewegung des Mittelpunktes
Der Mittelpunkt des Reuleaux-Dreieckes eiert also nicht nur auf und ab, sondern im Vergleich mit der gleichmŠ§igen Bewegung des Mittelpunktes des Einheitskreises auch vor und zurŸck.
Die
folgende Abbildung zeigt die Situation fŸr , die Kamera bewegt sich halb so schnell wie der Mittelpunkt
des Einheitskreises.
Die Kreise unten (rot, grŸn, blau) werden zu verlŠngerten Zykloiden verschmiert.
Zum
Schluss das Marktbreit-Dreieck (), aufgenommen von einer Kamera mit
.
Marktbreit-Dreieck
mit
Wir haben
wie beim gewšhnlichen Reuleaux-Dreieck unten Kreise und oben verkŸrzte
Zykloiden, aber die Kurven passen genau in den Zwischenraum zwischen Boden und
Rollgutunterkante. Die PeriodenlŠnge ist nicht in einem rationalen VerhŠltnis
zu , da p irrational
ist.