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【几何学与力学的千丝万缕】(2)-----几何体稳定性问题!

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如图,圆圈表示铰接点,杆子(刚体)可以在平面内绕铰接点自由旋转
由于三角形的稳定性,a图是几何体不变体,b是几何体可变体(受力以后杆子移动),
那么c图是不变体还是可变体?




IP属地:日本1楼2011-12-17 02:51回复
    我想说,这一类题,都能用纯几何方法解决
    先说一下最基本的三角形稳定性问题。
    再把它拓展到一般情况。
    就是A图,为什么三角形是稳定的?


    IP属地:日本2楼2011-12-17 02:53
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      先给“稳定性”或者“几何体不变体”下一个简单的定义吧
      用一个力(大小任意),作用如图的杆子上,假设杆子是刚体,则物体的几何结构不会发生改变的几何形体叫做几何体可变体(图a的三角形)
      反之,要是结构会变动,就是几何体可变体(图b中的四边形框架)


      IP属地:日本3楼2011-12-17 02:57
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        错了,
        用一个力(大小任意),作用如图的杆子上,假设杆子是刚体,则物体的几何结构不会发生改变的几何形体叫做几何体不变体(图a的三角形)


        IP属地:日本4楼2011-12-17 02:58
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          那么为什么三角形是“几何体不变体”呢
          证明方法有2种,
          1)纯代数法
          2)纯几何法
          纯代数法,大家应该都知道,用余弦定理!因为三边都确定了(刚体)。
          所以,根据余弦定理。各个顶角可以求出来,是一定的。所以三角形的形状也就固定了。
          但是纯代数法不容易扩展到一般情况。这里给出一个简单的几何证明。
          等下再给出2个很重要的定理,来推展到任何情况。


          IP属地:日本5楼2011-12-17 03:01
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            如下图1-1
            反证法:
            如果△ABC可以变形,假设C可以移动,则根据杆BC,他会向蓝色切线的方向移动
            (因为杆子是刚体,长度不变,所以C怎么移动到B的距离都不变,移动必在以B为圆心BC为半径的圆弧上,方向和圆弧相切)
            同理C也会向蓝色切向方向绕点A转动。
            而一个点只可能向一个方向移动,矛盾。故假设不成立。所以三角形不能变动形状。


            IP属地:日本6楼2011-12-17 03:07
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              IP属地:日本7楼2011-12-17 03:07
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                6楼更正 如果△ABC可以变形,假设C可以移动,则根据杆BC,他会向红色切线的方向移动


                IP属地:日本8楼2011-12-17 03:08
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                  现在给出定理1.
                  如果三个刚体相互铰接,则整体是几何体不变体。(如7楼的图)
                  证明和上面的三角形一样,就是把刚体当成一个杆子就行了。


                  IP属地:日本9楼2011-12-17 03:10
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                    定理2
                    如果两个刚体由3个杆子连接,而且3杆子所在的直线,即不共线,也没有交点。则整体是几何体不变体(如7楼的图)
                    证明和三角形稳定原理一样。只是把,每两个杆子的延长线,看上一个虚铰接点,刚体可以瞬间沿着虚铰接点旋转。同理,3虚铰接点,形成三角形,故不是几何体不变体!


                    IP属地:日本10楼2011-12-17 03:14
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                      现在加个概念叫“几何体瞬间变形体”。
                      这个是什么意思能,看7楼的瞬2图,两刚体的3个杆子所在直线共点,形成虚铰接点
                      则在瞬间,刚体II可以绕着虚铰接点转(3个点旋转方向相同)但是再下一个瞬间,3杆子不共点,成型了定理2的几何体不变体。所以叫“几何体瞬间变形体”。
                      同理,图瞬1的图形,两杆子共线,瞬间可以移动,但下一时刻,形成了定理1的几何体不变体。所以也叫“几何体瞬间变形体”。
                      


                      IP属地:日本11楼2011-12-17 03:20
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                        再看一下运用,以下的复杂的情况也一下子迎刃而解了



                        IP属地:日本12楼2011-12-17 03:28
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                          求证上图是几何体不变体。
                          证明:
                          根据定理1,AMN是几何体不变体
                          把AMN看成刚体I,再和NG,NM 再次用定理一,则ANG是几何体不变体
                          ......
                          反复套用定理1,可证ABG和BHC是几何体不变体
                          ABG,BHC,GH套用定理1,则整个三角形框架ABC是几何体不变体
                          再看底座!!!!!
                          地面,DC,CE套用定理1,则成为几何体不变体,记成X
                          X,ABC,AF再次套用定理1,还是几何体不变体
                          所以整体是几何体不变体!!!!
                          


                          IP属地:日本13楼2011-12-17 03:33
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                            经典的证明!!!!!任何人看了都会竖起大拇指!!
                            全部是三角形稳定性的一个推广,
                            它有很重要的意义,
                            因为跟定开始的定义,我们给这个结构施加一个力,不论任何地方,它都是不会变形的,稳定的!安全可靠的结构!!!


                            IP属地:日本14楼2011-12-17 03:35
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                              反过头来,我们看,一开始看似很难的图C,现在看起来很明朗了啊!!
                              一下给出一个可能学了一辈子几何的人,都没见过的“图证法”
                              对!用图来证明!没有数字,没有公式,纯几何来证明!

                              


                              IP属地:日本15楼2011-12-17 03:51
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