Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

Hasonló dokumentumok
A kardáncsukló kinematikája I. A szögelfordulások közti kapcsolat skaláris levezetése

A kardáncsukló tengelyei szögelfordulása közötti összefüggés ábrázolása. Az 1. ábrán mutatjuk be a végeredményt, egy körülfordulásra.

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

Fa rudak forgatása II.

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

Egy másik érdekes feladat. A feladat

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

További adalékok a merőleges axonometriához

Érdekes geometriai számítások 10.

A magától becsukódó ajtó működéséről

A tűzfalakkal lezárt nyeregtető feladatához

Egy érdekes nyeregtetőről

Chasles tételéről. Előkészítés

Egy mozgástani feladat

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

A ferde tartó megoszló terheléseiről

Fénypont a falon Feladat

A ferde szabadforgácsolásról, ill. a csúszóforgácsolásról ismét

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

A Cassini - görbékről

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

Ellipszis átszelése. 1. ábra

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Egy kinematikai feladat

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Kocka perspektivikus ábrázolása. Bevezetés

Egy kinematikai feladathoz

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Ismét a fahengeres keresztmetszetű gerenda témájáról. 1. ábra forrása: [ 1 ]

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

w u R. x 2 x w w u 2 u y y l ; x d y r ; x 2 x d d y r ; l 2 r 2 2 x w 2 x d w 2 u 2 d 2 2 u y ; x w u y l ; l r 2 x w 2 x d R d 2 u y ;

A csavarvonal axonometrikus képéről

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Aszimmetrikus nyeregtető ~ feladat 2.

Kiegészítés a három erő egyensúlyához

Kerék gördüléséről. A feladat

Egy szép és jó ábra csodákra képes. Az alábbi 1. ábrát [ 1 ] - ben találtuk; talán már máskor is hivatkoztunk rá.

A közönséges csavarvonal érintőjének képeiről

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

A gúla ~ projekthez 2. rész

Keresztezett pálcák II.

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

Kosárra dobás I. Egy érdekes feladattal találkoztunk [ 1 ] - ben, ahol ezt szerkesztéssel oldották meg. Most itt számítással oldjuk meg ugyanezt.

A merőleges axonometria néhány régi - új összefüggéséről

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

A hordófelület síkmetszeteiről

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

A középponti és a kerületi szögek összefüggéséről szaktanároknak

Vonatablakon át. A szabadvezeték alakjának leírása. 1. ábra

Forgatónyomaték mérése I.

Egy geometriai szélsőérték - feladat

A gúla ~ projekthez 1. rész

A véges forgatás vektoráról

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

A csúszóvágásról, ill. - forgácsolásról

Vontatás III. A feladat

A főtengelyproblémához

Egy variátor - feladat. Az [ 1 ] feladatgyűjteményben találtuk az alábbi feladatot. Most ezt dolgozzuk fel. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

A lengőfűrészelésről

Az éjszakai rovarok repüléséről

Érdekes geometriai számítások Téma: Szimmetrikus kontytető tetősíkjai lapszögének meghatározásáról

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Befordulás sarkon bútorral

A visszacsapó kilincs működéséről

A kettősbelű fatörzs keresztmetszeti rajzolatáról

Egy háromlábú állvány feladata. 1. ábra forrása:

Egymásra támaszkodó rudak

Érdekes geometriai számítások 5. Folytatjuk a sorozatot. 5. Téma: Egy fontos szögösszefüggés gömbháromszögtani igazolása

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

Egy sajátos ábrázolási feladatról

A mandala - tetőről. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is! θ = 360/n. 1. ábra [ 6 ].

Egy érdekes statikai feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladattal.

Tető - feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladatot és végeredményeit ld. 1. ábra.

A térbeli mozgás leírásához

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

A Maxwell - kerékről. Maxwell - ingának is nevezik azt a szerkezetet, melyről most lesz szó. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is!

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

Egy furcsa tartóról. A probléma felvetése. Adott az 1. ábra szerinti kéttámaszú tartó. 1. ábra

A manzárdtetőről. 1. ábra Forrás: of_gambrel-roofed_building.

1. ábra forrása:

A kerekes kútról. A kerekes kút régi víznyerő szerkezet; egy gyakori változata látható az 1. ábrán.

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

Poncelet egy tételéről

A szabályos sokszög keresztmetszetű rúd keresztmetszeti jellemzőiről

V. Békés Megyei Középiskolai Matematikaverseny 2012/2013 Megoldások 12. évfolyam

Lépcső beemelése. Az interneten találkoztunk az [ 1 ] művel, benne az 1. ábrával.

Átírás:

Érdekes geometriai számítások 7. Folytatjuk a sorozatot. 7. Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon Korábbi dolgozatainkban már többféle módon is bemutattuk a kardáncsukló alap egyenletének a levezetését. Ezek: A kardáncsukló kinematikája 1. A kardáncsukló kinematikája 2. Most az ismert gömbháromszögtani összefüggés alkalmazásával történő levezetést mutatjuk be, [ 1 ] alapján. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is! 1. ábra

2 Itt egy kardáncsukló szemlélhető, melynek egyik villája az X tengely, a másik villája az Y tengely körül forog. Emlékeztetőül: a kardáncsukló úgy épül fel, hogy a kardán - kereszt O pont - ban merőlegesen metsződő rúdjai az AA 1, ill. a BB 1 végükön egy - egy csappal csuklósan kapcsolódnak egy - egy villához, melyek a hajtó X, és a hajtott Y tengelyhez fixen vannak rögzítve 2. ábra; forrása: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/universal_joint.gif. 2. ábra Működésének célja: az egymással α hegyesszöget bezáró X és Y tengelyek között a forgó mozgás és a forgatónyomaték átvitele. A forgás során az X tengelyhez rögzített A és A 1 keresztvégek egy X - re merőleges síkban, míg az Y tengelyhez erősített villa - és keresztvégek egy Y - ra merőleges síkban írnak le egy kört. E síkok éppen α szöget zárnak be egymással. Most forduljon el a szerkezet az X tengely körül φ szöggel! Keressük, hogy ekkor az Y tengely körül mekkora ψ szögelfordulás jön létre. Az α, φ, ψ szögek közti összefüggést gömbháromszögtani alapon írjuk fel. A mozgás kezdetén a kereszt egyik végei az A 0 és B 0 térbeli pontban találhatók. A mozgás kezdete után t idővel az előbbi keresztvégek már az A, ill. a B pontban vannak. A vizsgálandó gömbi háromszög: az A 0 A B gömbháromszög. Most felsoroljuk a jellemző szögeket 1. ábra: π π AB ) = ; A0B 0 ) = ; A0A ) = ϕ ; 2 2 B0B ) = ψ ; π A0B) A0B0 ) B0B ) ; ( 1 ) = + = + ψ 2 A 0 = α. Majd felírjuk az oldal - koszinusztételt: cos AB = cos A A cos A B + sin A A sin A B cos A ; ( 2 ) ( )) ) ( 0 ) ( 0 )) ( 0 )) ( 0 )) ( 0 )

3 ezután ( 1 ) és ( 2 ) - vel: π π π cos = cos ϕ cos + ψ + sin ϕ sin + ψ cos α. 2 2 2 Most figyelembe vesszük, hogy π cos = 0, 2 π cos + ψ = sin ψ, 2 π sin + ψ = + cos ψ, 2 ( 3 ) ( 4 ) így ( 3 ) és ( 4 ) - gyel: 0 = cos ϕ sin ψ + sin ϕ cos ψ cos α ; ( ) rendezve: cos ϕ sin ψ = sin ϕ cos ψ cos α ; tovább alakítva: sin ψ cos ψ sin ϕ = cos α, cos ϕ innen pedig: tgψ tgφ cos. = α ( 5 ) Ezzel a kitűzött feladatot megoldottuk. Megjegyzések: M1. Figyelemre méltó tény, hogy ezt a szép és viszonylag egyszerű levezetést már 110 évvel ezelőtt is tartalmazták a tankönyvek [ 1 ]. M2. A gömbháromszög oldalára felírható koszinusztétel levezetése megtalálható az egyik előző dolgozatunkban is, melynek címe: Érdekes geometriai számítások 5. M3. Az 1. ábrát [ 1 ] - ből kölcsönöztük, majd kicsit kiegészítettük és kiszíneztük.

4 M4. A szakirodalomban gyakori [ 2 ], hogy a levezetés eredményét ( 5 ) helyett a tgφ tgψ = cos α alakban adják meg. Most vizsgáljuk meg ezt a látszólagos ellentmondást ( ismét? )! Ehhez tekintsük a 3. ábrát is! ( 6 ) 3. ábra Itt a hajtó és hajtott villák két különböző, egymáshoz képest 90 fokkal elforgatott helyzetét szemlélhetjük, 1. eset és 2. eset elnevezéssel illetve azokat. Most legyen az 1. eset a bal oldali ábrarészen felvett helyzetű; ekkor a hozzá tartozó összefüggést az itteni levezetés szerint felírva: tgψ = cos α tgφ. ( 7 ) 1 1 Ekkor a bal oldali ( zöld ) tengely a hajtó, a jobb oldali ( piros ) a hajtott tengely. Majd legyen a 2. eset a jobb oldali ábrarészen felvett helyzetű; ekkor a hozzá tartozó összefüggés úgy alakul ki, hogy megnézzük: mely villa van az 1. esetnek megfelelő helyzetben, amire felírhatjuk a ( 7 ) képlet megfelelőjét. Minthogy a 2. esetben a jobb oldali ( piros ) tengelyhez tartozó villa áll ugyanolyan helyzetben, mint az 1. esetben, ezért átmenetileg a piros tengelyt tekintve hajtó tengelynek, a zöldet pedig hajtottnak, ezt kapjuk: tgφ = cos α tgψ. ( 8 ) 2 2 Átrendezve: tgφ cos α 2 tgψ 2 =. ( 9 )

5 Ezután gondolatban fordítsuk meg a hajtás irányát: legyen megint a zöld a hajtó, a piros a hajtott tengely! Minthogy az a fizikai körülmény, hogy a motort a zöld vagy a piros tengelyhez kapcsoljuk, teljesen érintetlenül hagyja a fentiekben ismertetett geometriai helyzetet, jogos a megállapítás, hogy a hajtás irányának megfordítása nem érinti a geometriai viszonyokat, tehát az erre alapozott képleteket sem. Következésképpen a ( 9 ) képlet is érvényes, a ( 7 ) képlet mellett. Egyedülálló kardáncsukló esetében tehát csak arról van szó, hogy a mozgás kezdetét milyen villa - helyzettel jellemezzük, vagyis ekkor a ( 7 ), ill. a ( 9 ) képlet egyaránt alkalmas lehet a jelenség leírására. A dolog akkor kezd el érdekessé és fontossá válni, amikor két kardáncsuklót kötünk egymás után, kardántengellyel [ 2 ]. Ekkor ugyanis a működés szempontjából más a helyzet, ha a kardántengely két végén elhelyezkedő villák síkja párhuzamos, mint ha merőleges helyzetű, egymáshoz képest. M5. Az előbbi okoskodást egy kis matematikával még megnyugtatóbbá lehet tenni. ( A megnyugvásra szüksége lehet az Olvasónak, ha nem volt túl meggyőző számára a fenti okoskodás, amit akár a faramuci jelzővel is illethet. ) Az előző megjegyzésben arról volt szó, hogy az elfordulási szögek kezdőhelyzetének megválasztása befolyásolja a képlet - alakot: ( 7 ), vagy ( 9 ) áll elő. Most azt vizsgál - juk meg, hogy milyen hatással bír a képletek alakjára egy π ϕ = ϕ ±, 2 ψ = ψ ± π ( 10 ) 2 szerinti helyettesítés a változókban. Ezért most helyettesítsük ( 10 ) - et ( 5 ) - be! Részletezve: tgψ = tgφ cos α ; ( a ) π π tg ψ ± = tg ϕ ± cos α ; 2 2 ( b ) de az ismert azonossággal: tgx ± 1 tgx ± tgy tgy tg ( x ± y) = =, 1 tgx tgy 1 tgx tgy így ( b ) és ( c ) szerint: ( c )

6 tgψ ± 1 π tg π 2 ± 1 1 tg ψ ± = = =, 2 1 tgψ tgψ tgψ π tg 2 tehát: π 1 tgψ = tg ψ ± =, 2 tgψ majd a másik változóval ugyanígy: π 1 tgφ = tg ϕ ± =. 2 tgϕ Most az ( a ), ( d ) és ( e ) képletekkel: 1 1 cos, tgψ = tgϕ α ( d ) ( e ) innen: tg ψ = tgϕ cos α ( f ) Látjuk, hogy az eredeti szöghelyzethez képest 90 fokkal elforgatott induló helyzetre az ( a ) helyett az ( f ) képlet - alak áll elő, egyezésben ( 9 ) - cel. Irodalom: [ 1 ] Hans Lorenz: Lehrbuch der technischen Physik, Band I., Technische Mechanik starrer Systeme, 21. oldal Verlag von R. Oldenbourg, München und Berlin, 1902. http://www.archive.org/stream/technischemecha00loregoog#page/n51/mode/2up [ 2 ] Sz. N. Kozsevnyikov: A mechanizmusok és gépek elmélete, I. rész, 291. - 293. oldal Tankönyvkiadó, Budapest, 1952. Sződliget, 2012. június 24. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár