1.5.10. По внутренней поверхности закрепленного цилиндра радиуса $2r$ катится без проскальзывания колесо радиуса $r$. Найдите траекторию точки обода колеса
Геометрическое Решение
К задаче $1.5.10$
Решение
Построение гипоциклоиды при $r= \frac{R}{2}$
Данная траектория является так называемой Гипоциклоидой Заданная параметричеким уравнением:
При $r= R/2$, данная траетория ложиться на диаметр
Решение
Пусть в начальный момент окружности касаются в точке $A$, лежащей на оси $Ox$, где точка $O$ — центр большой окружности. Координаты точки $A$ при этом - $(kr, 0)$, где $k = \frac{R}{r}$. Рассмотрим, как меняются координаты точки $A$, привязанной к катящейся окружности ($A$ переходит в $A'$). Пусть маленькая окружность прокатилась так, что её центр перешел из точки $C'$ в точку $C''$ и повернулся относительно точки $O$ на угол $t$.
Во-первых, можно показать, что поворот маленькой окружности относительно своего центра при этом (т.е. угол между $CA$ и $C' A'$) равен $t - kt = -(k-1)t$. Во-вторых, координаты точки $C'$ будут такими: $(\cos(t)(k-1)r, \sin(t)(k-1)r)$. Тогда, зная, куда перейдет центр катящейся окружности, и на какой угол она повернулась относительно этого центра, можно записать координаты точки $A'$:
\begin{cases} x = \cos(t)(k-1)r + \cos((k-1)t)r \\ y = \sin(t)(k-1)r - \sin((k-1)t)r \end{cases}
Ответ
Траектория точки обода колеса проходит по диаметру цилиндра.
