很久很久以前,人類就知道可以利用橫切面為圓形的滾輪搬運重物.據說古埃及人就是利用這種滾輪搬運建造金字塔的石塊的.
滾輪向前移動1m,上面的石塊會向前移動多遠?答案并不是1m.
如果你從圖1中無法看出答案,可用3支鉛筆滾動一本書,以幫助思考.
當石塊在圓形滾輪上滾動時,它是在作與地面平行的平滑移動.你可能會認為滾輪的橫切面應該都是圓形.其實還有許多其他形狀,都具有轉動時寬度相同的特性.圖2和圖3就是兩種具有這種特性的形狀.
把它們畫在卡片紙上,并剪下來.
畫圖2所示形狀的步驟如下:用圓規畫出半徑為6cm的圓弧BC,圓心為A;再以B點為圓心,畫出圓弧AC;最后以C點為圓心,畫圓弧AB.
剪下這個圖形,并在紙上畫兩條相距6cm的平行線,把剪下的圖形放在兩平行線之間,沿著一條線滾動(可以在一條線上放一把直尺).你應該可以發現不管角度如何改變,這個圖形都會接觸到兩條平行線.
畫出圖3所示形狀的步驟如下:先畫出一個等邊三角形ABC,邊長為4cm,然后把每一邊向外延伸至少1cm.
以A為圓心,用圓規畫出半徑5cm的圓弧ST,接著分別以B、C為圓心,畫出弧QR和UP;再以A為圓心,用圓規畫出半徑1cm的圓弧PQ,以B為圓心畫出弧TU,以C為圓心畫出弧RS.把這個圖形也放在兩條相距6cm的平行線之間做實驗.
現在畫一個邊長6cm的正方形,你可以看到這個形狀恰好可以放入正方形內,而且可以同時與四邊接觸.
有一種可用來切出正方形洞的特殊鉆孔機,就是運用這種原理設計的,如圖4所示.
英國的50便士硬幣(參見圖5)也具有等寬的曲線(試畫出較大的圖形).由萬克爾(Wankel)所設計的旋轉式發動機中的轉子(rotor,參見圖6)也具有相同的性質.雖然可以用這些形狀作滾動,但它們不能做輪子.為什么?除了圓形以外,是否還有其他形狀可以作為輪子使用呢?