200道物理學難題——001 三只蝸牛


解法一(面積)

如下圖所示,代表三只蝸牛的初始位置。

1

經過很短的時間,三只蝸牛分別運動到了。因為時間很短所以在蝸牛的運動方向上,即在直線上。同理也分別在上。三只蝸牛的運動速度相等,所以,這樣三角形也是一個等邊三角形。

再經過一個很短的時間,三只蝸牛運動到了

再經過一個很短的時間,三只蝸牛運動到了

……

也就是說:三只蝸牛在運動過程中,始終保持等邊三角形的形狀。同時,這個等邊三角形一邊在旋轉一邊在縮小,當縮小至一個點(重心)時三只蝸牛相遇。

現在看看三角形邊長、旋轉角是如何隨時間變化的。

考察三角形的面積,可知:

    

邊長為的等邊三角形,其面積為

    

上式兩邊微分,可得

    

的邊長分別為,所以根據上式可知

    

的面積計算公式有兩個:

    

    

公式代入公式,可得

    

公式代入公式,可得

    

上面兩個公式是在附近推導得出的,但是同樣適用於。換句話說就是:在三只蝸牛的運動過程中,上面兩個公式是一直都成立的。

根據公式可知三角形邊長隨時間變化的函數為:

    

上式中的表示等邊三角形的初始邊長,即的邊長。

可得

    

上式表明:運動8分鍾后,三角形的邊長將變為零,此時三只蝸牛相遇於點。三只蝸牛各自爬行的路程為

中重心至各個頂點的距離為,則

    

上式代入公式,可得

    

對於蝸牛,以重心為極點,為極軸建立極坐標系。上式就是蝸牛在這個極坐標系下的軌跡方程。可見:蝸牛的運動軌跡是對數螺旋曲線。

根據上式可知蝸牛的旋轉圈數為:

    

時,。所以三只蝸牛轉了無窮圈。

解法二(正弦定理)

參考圖1,對套用正弦定理,有

    

對上式做進一步化簡:

    

    

公式代入上式,可得

    

上式除以公式,可得

    

公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。

解法三(余弦定理)

參考圖1,對套用余弦定理,有

    

上式略去二階微元,可得

    

中,邊的高為

    

上式的實質其實還是正弦定理。

上面兩個公式相除,可得

    

公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。

解法四(速度分解)

參考下圖,對蝸牛的速度進行分解:

2

徑向速度使兩只蝸牛之間的距離增大或減小,其數值為:

    

上式中的負號表示兩只蝸牛之間的距離隨時間的增加而變小。

橫向速度使等邊三角形旋轉,其數值為:

    

上面兩個公式相除,可得:

    

公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。

解法五(極坐標)

如下圖所示,考察蝸牛的運動軌跡。以重心為極點,為極軸建立極坐標系。

3

參考圖1,這個運動軌跡有一個特點,那就是運動方向與極徑的夾角始終為

把運動速度分解為徑向速度(極徑增大為正)與橫向速度

    

    

上式中的表示等邊三角形的初始邊長,即的邊長。

令上式的,可求得

也就是說:三只蝸牛運動8分鍾后,將相遇於點。三只蝸牛各自爬行的路程為

徑向速度與橫向速度滿足下式

    

將公式代入上式,可得

    

上式兩邊求定積分,可得

    

上式表明:蝸牛的運動軌跡是一個對數螺旋曲線。

根據上式可知蝸牛的旋轉圈數為:

    

時,。所以三只蝸牛轉了無窮圈。

解法六(平面直角坐標)

參考圖1,以點為原心,建立坐標系,如下圖所示:

4

參考等邊三角形。以為參照物,有兩個速度,把這兩個速度分解為兩個:

一個是平行於的縱向速度,這個速度使等邊三角形的邊長變小。等邊三角形的邊長隨時間變化的函數為

    

一個是垂直於的橫向速度,這個速度使得運動軌跡的切線方位角增大,即:

    

公式代入上式,可得:

    

假定經過時間行駛了距離,則:

    

根據公式可得曲率與之間的關系:

    

根據上式可知

    

根據上式可知:

    

坐標系內,蝸牛的運動軌跡滿足下式

    

根據公式可知

    

公式代入,再代入公式,可得

    

上式兩邊求定積分,可得

    

可知:

    

這是一個什么曲線呢?對公式進行變形,可得:

    

表示以坐標系的原點為極點,軸為極軸,建立極坐標系。極坐標系里有一條曲線,極徑隨極角變化的函數為,這是一條對數螺旋曲線。

表示旋轉曲線。旋轉角為,即順時針旋轉曲線

表示旋轉后的曲線再平移。其實就是把極點移動至重心

旋轉、平移后的螺旋曲線,極點位於重心,極軸與重合。

既是切線方位角,又是極坐標系里的極角,其原因在於:極徑與切線的夾角始終為一恆定值()。另一個解釋是:參考圖1的夾角是極角,的夾角是切線角,這兩個角度均等於三角形相對於三角形的旋轉角。

結論

1)運動8分鍾后,三只蝸牛相遇;

2)三只蝸牛至相遇時,各自爬行了40cm

3)三只蝸牛的運動軌跡是對數螺旋曲線;

4)三只蝸牛至相遇時,各自轉了無窮圈。


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