Треугольник (музыкальный инструмент)
- 1 year ago
- 0
- 0
Треуго́льник Рёло́ представляет собой область пересечения трёх равных кругов с центрами в вершинах правильного треугольника и радиусами , равными его стороне . Негладкая замкнутая кривая , ограничивающая эту фигуру, также называется треугольником Рёло.
Треугольник Рёло является простейшей после круга фигурой постоянной ширины . То есть если к треугольнику Рёло провести пару параллельных опорных прямых , то расстояние между ними не будет зависеть от выбранного направления . Это расстояние называется шириной треугольника Рёло.
Среди прочих фигур постоянной ширины треугольник Рёло выделяется рядом экстремальных свойств: наименьшей площадью , наименьшим возможным углом при вершине , наименьшей симметричностью относительно центра . Треугольник получил распространение в технике — на его основе были созданы кулачковые и грейферные механизмы, роторно-поршневой двигатель Ванкеля и даже дрели, позволяющие сверлить ( фрезеровать ) квадратные отверстия .
Название фигуры происходит от фамилии немецкого механика Франца Рёло . Он, вероятно, был первым, кто исследовал свойства этого так называемого криволинейного треугольника; также он использовал его в своих механизмах .
Рёло не является первооткрывателем этой фигуры, хотя он и подробно исследовал её. В частности, он рассматривал вопрос о том, сколько контактов (в кинематических парах ) необходимо, чтобы предотвратить движение плоской фигуры, и на примере искривлённого треугольника, вписанного в квадрат , показал, что даже трёх контактов может быть недостаточно для того, чтобы фигура не вращалась .
Некоторые математики считают, что первым продемонстрировал идею треугольника из равных дуг окружности Леонард Эйлер в XVIII веке . Тем не менее подобная фигура встречается и раньше, в XV веке: её использовал в своих рукописях Леонардо да Винчи . Треугольник Рёло есть в его манускриптах A и B, хранящихся в Институте Франции , а также в .
Примерно в 1514 году Леонардо да Винчи создал одну из первых в своём роде карт мира . Поверхность земного шара на ней была разделена экватором и двумя меридианами (угол между плоскостями этих меридианов равен 90°) на восемь сферических треугольников , которые были показаны на плоскости карты треугольниками Рёло, собранными по четыре вокруг полюсов .
Ещё раньше, в XIII веке, создатели церкви Богоматери в Брюгге использовали треугольник Рёло в качестве формы для некоторых окон .
Треугольник Рёло является плоской выпуклой геометрической фигурой .
Если ширина треугольника Рёло равна , то его площадь равна
радиус вписанной окружности
а радиус описанной окружности
Треугольник Рёло обладает осевой симметрией . Он имеет три оси симметрии второго порядка, каждая из которых проходит через вершину треугольника и середину противоположной дуги, а также одну ось симметрии третьего порядка, перпендикулярную плоскости треугольника и проходящую через его центр . Таким образом, группа симметрий треугольника Рёло состоит из шести отображений (включая тождественное ) и совпадает с группой симметрий правильного треугольника .
Треугольник Рёло можно построить с помощью одного только циркуля , не прибегая к линейке . Это построение сводится к последовательному проведению трёх равных окружностей . Центр первой выбирается произвольно, центром второй может быть любая точка первой окружности, а центром третьей — любая из двух точек пересечения первых двух окружностей.
Поскольку треугольник Рёло является фигурой постоянной ширины, он обладает всеми общими свойствами фигур этого класса. В частности,
Среди всех фигур постоянной ширины у треугольника Рёло наименьшая площадь . Это утверждение носит название (по фамилиям немецкого геометра Вильгельма Бляшке , опубликовавшего теорему в 1915 году , и французского математика Анри Лебега , который сформулировал её в 1914 году ). В разное время варианты её доказательства предлагали Мацусабуро Фудзивара (1927 и 1931 год) , Антон Майер (1935 год) , Гарольд Эгглстон (1952 год) , Абрам Безикович (1963 год) , Дональд Чакериан (1966 год) , Эванс Харрелл (2002 год) и другие математики .
Чтобы найти площадь треугольника Рёло, можно сложить площадь внутреннего равностороннего треугольника
и площадь трёх оставшихся одинаковых круговых сегментов , опирающихся на угол в 60°
то есть
Фигура, обладающая противоположным экстремальным свойством — круг . Среди всех фигур данной постоянной ширины его площадь
максимальна . Площадь соответствующего треугольника Рёло меньше на ≈10,27 %. В этих пределах лежат площади всех остальных фигур данной постоянной ширины.
Через каждую вершину треугольника Рёло, в отличие от остальных его граничных точек, проходит не одна опорная прямая , а бесконечное множество опорных прямых. Пересекаясь в вершине, они образуют «пучок». Угол между крайними прямыми этого «пучка» называется углом при вершине . Для фигур постоянной ширины угол при вершинах не может быть меньше 120°. Единственная фигура постоянной ширины, имеющая углы, равные в точности 120° — это треугольник Рёло .
Из всех фигур постоянной ширины треугольник Рёло обладает центральной симметрией в наименьшей степени . Существует несколько различных способов дать определение степени симметричности фигуры. Один из них — это мера Ковнера — Безиковича. В общем случае для выпуклой фигуры она равна
где — площадь фигуры, — содержащаяся в центрально-симметричная выпуклая фигура максимальной площади. Для треугольника Рёло такой фигурой является шестиугольник с искривлёнными сторонами, представляющий собой пересечение этого треугольника Рёло со своим образом при центральной симметрии относительно своего центра . Мера Ковнера — Безиковича для треугольника Рёло равна
Другой способ — это мера Эстерманна
где — содержащая центрально-симметричная фигура минимальной площади. Для треугольника Рёло — это правильный шестиугольник , поэтому мера Эстерманна равна
Для центрально-симметричных фигур меры Ковнера — Безиковича и Эстерманна равны единице. Среди фигур постоянной ширины центральной симметрией обладает только круг , который (вместе с треугольником Рёло) и ограничивает область возможных значений их симметричности.
Любая фигура постоянной ширины вписана в квадрат со стороной, равной ширине фигуры, причём направление сторон квадрата может быть выбрано произвольно . Треугольник Рёло — не исключение, он вписан в квадрат и может вращаться в нём, постоянно касаясь всех четырёх сторон .
Каждая вершина треугольника при его вращении «проходит» почти весь периметр квадрата, отклоняясь от этой траектории лишь в углах — там вершина описывает дугу эллипса . Центр этого эллипса расположен в противоположном углу квадрата, а его больша́я и малая оси повёрнуты на угол в 45° относительно сторон квадрата и равны
где — ширина треугольника . Каждый из четырёх эллипсов касается двух смежных сторон квадрата на расстоянии
от угла .
![]() |
![]() |
Угол покрываемой вращением фигуры. Подписаны точки
касания
сторон квадрата с эллипсом. Светло-жёлтым показан не затронутый вращением угол квадрата
|
Центр треугольника Рёло при вращении движется по траектории, составленной из четырёх одинаковых дуг эллипсов. Центры этих эллипсов расположены в вершинах квадрата, а оси повёрнуты на угол в 45° относительно сторон квадрата и равны
Иногда для механизмов, реализующих на практике такое вращение треугольника, в качестве траектории центра выбирают не склейку из четырёх дуг эллипсов, а близкую к ней окружность .
![]() |
![]() |
Эллипс
(выделен красным цветом), очерчивающий одну четвёртую кривой, по которой движется центр треугольника Рёло при вращении в квадрате
|
Траектория
центра треугольника Рёло при вращении в квадрате. Выделены точки сопряжения четырёх дуг эллипсов. Для сравнения показана
окружность
(синим цветом), проходящая через эти же четыре точки
|
Площадь каждого из четырёх не затронутых вращением уголков равна
и, вычитая их из площади квадрата, можно получить площадь фигуры, которую образует треугольник Рёло при вращении в нём
Разница с площадью квадрата составляет ≈1,2 %, поэтому на основе треугольника Рёло создают свёрла , позволяющие получать почти квадратные отверстия .
«Мы все слыхали о гаечных ключах , приспособленных для гаек с левой резьбой, завязанных в узел водопроводных трубах и бананах из чугуна. Мы считали подобные вещи смешными безделушками и отказывались даже верить, что они когда-нибудь встретятся нам в действительности. И вдруг появляется инструмент, позволяющий сверлить квадратные отверстия!»
Фреза с сечением в виде треугольника Рёло и режущими лезвиями, совпадающими с его вершинами, позволяет получать почти квадратные отверстия. Отличие таких отверстий от квадрата в сечении состоит лишь в немного скруглённых углах . Другая особенность подобной фрезы заключается в том, что его ось при вращении не должна оставаться на месте, как это происходит в случае традиционных спиральных свёрл, а описывает в плоскости сечения кривую, состоящую из четырёх дуг эллипсов . Поэтому патрон , в котором зажата фреза, и крепление инструмента не должно препятствовать этому движению .
Впервые реализовать подобную конструкцию крепления инструмента удалось Гарри Уаттсу, английскому инженеру, работавшему в США . Для этого он использовал направляющую пластину с отверстием в виде квадрата, в котором могло радиально перемещаться сверло, зажатое в «плавающем патроне» . Патенты на патрон и сверло были получены Уаттсом в 1917 году. Продажу новых дрелей осуществляла фирма . Ещё один патент США на похожее изобретение был выдан в 1978 году .
Другой пример использования можно найти в двигателе Ванкеля : ротор этого двигателя выполнен в виде треугольника Рёло . Он вращается внутри камеры, поверхность которой выполнена по эпитрохоиде . Вал ротора жёстко соединён с зубчатым колесом , которое сцеплено с неподвижной шестернёй . Такой трёхгранный ротор обкатывается вокруг шестерни, всё время касаясь вершинами внутренних стенок двигателя и образуя три области переменного объёма , каждая из которых по очереди является камерой сгорания . Благодаря этому двигатель выполняет три полных рабочих цикла за один оборот.
Двигатель Ванкеля позволяет осуществить любой четырёхтактный термодинамический цикл без применения механизма газораспределения . Смесеобразование, зажигание , смазка, охлаждение и пуск в нём принципиально такие же, как у обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания .
Ещё одно применение треугольника Рёло в механике — это грейферный механизм , осуществляющий покадровое перемещение плёнки в кинопроекторах . Грейфер проектора «Луч-2», например, основан на треугольнике Рёло, который вписан в рамку-квадрат, закреплённую на двойном параллелограмме . Вращаясь вокруг вала привода , треугольник двигает рамку с расположенным на ней зубом . Зуб входит в перфорацию киноплёнки, протаскивает её на один кадр вниз и выходит обратно, поднимаясь затем к началу цикла. Его траектория тем ближе к квадрату, чем ближе к вершине треугольника закреплён вал (идеально квадратная траектория позволила бы проецировать кадр в течение ¾ цикла) .
Существует и другая конструкция грейфера, также основанная на треугольнике Рёло. Как и в первом случае, рамка этого грейфера совершает возвратно-поступательное движение, однако её двигает не один, а два , работа которых синхронизирована с помощью зубчатой передачи .
В форме треугольника Рёло можно изготавливать крышки для люков — благодаря постоянной ширине они не могут провалиться в люк .
В Сан-Франциско , для системы корпуса люков имеют форму треугольника Рёло, но их крышки имеют форму равносторонних треугольников.
Треугольник Рёло использовался в кулачковых механизмах некоторых паровых двигателей начала XIX века . В этих механизмах вращательное движение кривошипа поворачивает треугольник Рёло, прикреплённый к толкателю передаточными рычагами, что заставляет толкатель совершать возвратно-поступательное движение . По терминологии Рёло , это соединение образует «высшую» кинематическую пару , поскольку контакт звеньев происходит по линии, а не по поверхности . В подобных кулачковых механизмах толкатель при достижении крайнего правого или левого положения остаётся некоторое конечное время неподвижен .
Треугольник Рёло ранее широко применялся в кулачковых механизмах швейных машин зигзагообразной строчки.
В качестве треугольник Рёло использовали немецкие часовые мастера в механизме наручных часов A. Lange & Söhne «Lange 31» .
Для перемещения тяжёлых предметов на небольшие расстояния можно использовать не только колёсные, но и более простые конструкции, например, цилиндрические катки . Для этого груз нужно расположить на плоской подставке, установленной на катках, а затем толкать его. По мере освобождения задних катков их необходимо переносить и класть спереди . Такой способ транспортировки человечество использовало до изобретения колеса .
При этом перемещении важно, чтобы груз не двигался вверх и вниз, так как тряска потребует дополнительных усилий от толкающего . Для того, чтобы движение по каткам было прямолинейным , их сечение должно представлять собой фигуру постоянной ширины . Чаще всего сечением был круг , ведь катками служили обыкновенные брёвна . Однако сечение в виде треугольника Рёло будет ничуть не хуже [ прояснить ] и позволит передвигать предметы столь же прямолинейно .
Несмотря на то, что катки в форме треугольника Рёло позволяют плавно перемещать предметы, такая форма не подходит для изготовления колёс, поскольку треугольник Рёло не имеет фиксированной оси вращения .
Треугольник Рёло — распространённая форма плектра (медиатора): тонкой пластинки, предназначенной для игры на струнных щипковых музыкальных инструментах .
Треугольник Рёло используется как элемент логотипов компаний и организаций, например: FINA ( ) , Bavaria , .
В США система национальных троп и оформлены с помощью треугольников Рёло .
Форма центральной кнопки смартфона Samsung Corby представляет собой треугольник Рёло, вложенный в серебристое обрамление такой же формы. Центральная кнопка, по мнению экспертов, является главным элементом дизайна лицевой стороны Corby .
Форма треугольника Рёло используется и в архитектурных целях. Конструкция из двух его дуг образует характерную для готического стиля стрельчатую арку , однако целиком он встречается в готических сооружениях довольно редко . Окна в форме треугольника Рёло можно обнаружить в церкви Богоматери в Брюгге , а также в шотландской церкви в Аделаиде . Как элемент орнамента он встречается на оконных решётках цистерцианского аббатства в швейцарской коммуне .
Треугольник Рёло используют и в архитектуре, не принадлежащей к готическому стилю. Например, построенная в 2006 году в Кёльне 103-метровая башня под названием « » в сечении представляет собой именно эту фигуру .
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Окно церкви Богоматери в Брюгге | Окно собора Святого Сальватора в Брюгге | Окно собора Парижской Богоматери | « » |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Окно церкви Святого Михаила в Люксембурге | Окно церкви Богоматери в Брюгге | Окно собора Святых Михаила и Гудулы в Брюсселе | Окно собора Святого Бавона в Генте |
Согласно форкурсу Иоганнеса Иттена , в «идеальной» модели соответствий часть спектра каждого цвета пребывает в таковом — с формой (геометрической фигурой). Зелёный цвет является «производным»: результатом смешения прозрачно-синего и светло-жёлтого (без включения ахроматических ), а поскольку в этой модели им соответствуют круг и правильный треугольник, именно фигура, называемая И. Иттеном сферическим треугольником, — треугольник Рёло, и соответствует зелёному.
В научно-фантастическом рассказе Пола Андерсона «Треугольное колесо» экипаж землян совершил аварийную посадку на планете, население которой не использовало колёса , так как всё круглое находилось под религиозным запретом. В сотнях километров от места посадки предыдущая земная экспедиция оставила склад с запасными частями, но перенести оттуда необходимый для корабля двухтонный атомный генератор без каких-либо механизмов было невозможно. В итоге землянам удалось соблюсти табу и перевезти генератор, используя катки с сечением в виде треугольника Рёло.
Лежащую в основе треугольника Рёло идею построения можно обобщить, используя для создания кривой постоянной ширины не равносторонний треугольник , а звёздчатый многоугольник , образованный отрезками прямых равной длины . Если из каждой вершины звёздчатого многоугольника провести дугу окружности , которая соединит две смежные ей вершины, то полученная замкнутая кривая постоянной ширины будет состоять из конечного числа дуг одного и того же радиуса . Такие кривые (а также ограничиваемые ими фигуры) называются многоугольниками Рёло .
Семейство многоугольников Рёло определённой ширины образует всюду плотное подмножество во множестве всех кривых постоянной ширины (с метрикой Хаусдорфа ) . Иными словами, с их помощью можно сколь угодно точно приблизить любую кривую постоянной ширины .
Среди многоугольников Рёло выделяют класс кривых, построенных на основе правильных звёздчатых многоугольников. Этот класс носит название правильных многоугольников Рёло . Все дуги, из которых составлен подобный многоугольник, имеют не только одинаковый радиус, но и одинаковую длину . Треугольник Рёло, например, является правильным. Среди всех многоугольников Рёло с фиксированным числом сторон и одинаковой шириной правильные многоугольники ограничивают наибольшую площадь .
Форма таких многоугольников используется в монетном деле : монеты ряда стран (в частности, 20 и 50 пенсов Великобритании ) выполнены в виде правильного семиугольника Рёло. Существует изготовленный китайским офицером велосипед , колёса которого имеют форму правильных треугольника и пятиугольника Рёло .
Трёхмерным аналогом треугольника Рёло как пересечения трёх кругов является тетраэдр Рёло — пересечение четырёх одинаковых шаров , центры которых расположены в вершинах правильного тетраэдра , а радиусы равны стороне этого тетраэдра. Однако тетраэдр Рёло не является телом постоянной ширины : расстояние между серединами противоположных граничных криволинейных рёбер, соединяющих его вершины, в
раз больше, чем ребро исходного правильного тетраэдра .
Тем не менее, тетраэдр Рёло можно видоизменить так, чтобы получившееся тело оказалось телом постоянной ширины. Для этого в каждой из трёх пар противоположных криволинейных рёбер одно ребро определённым образом «сглаживается» . Получающиеся таким способом два различных тела (три ребра, на которых происходят замены, могут быть взяты либо исходящими из одной вершины, либо образующими треугольник ) называются телами Мейсснера , или тетраэдрами Мейсснера . Сформулированная и Вернером Фенхелем в 1934 году гипотеза утверждает, что именно эти тела минимизируют объём среди всех тел заданной постоянной ширины, однако (по состоянию на 2011 год) эта гипотеза не доказана .
Наконец, тело вращения , получаемое при вращении треугольника Рёло вокруг одной из его осей симметрии второго порядка, — тело постоянной ширины. Оно имеет наименьший объём среди всех тел вращения постоянной ширины .