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円の伸開線|巻きつけた糸をほどくと、その先が曲線を描く

円に巻きつけた糸を、ぴんと張ったままほどきます。糸の先が描く道が円の伸開線です[1]。

は、糸が円から離れる点の角です。ほどいた糸の長さは弧の長さ に等しく、それが式の中の に現れます。

赤い弧がほどいたぶん、青い直線がぴんと張った糸です。 つの長さはいつでも等しい。

糸は円に接したまま動きます。離れる点が円周を進み、先端が外へ広がっていく形です。

微分すると向きが見える

で微分します。項が打ち消し合って、短い式になります。

速度の向きは です。これは中心から接点へ向かう向きと同じ[2]。

接線の傾きは割り算で出ます。

糸と接線は直角に交わる

先端から接点へ向かうベクトルを計算します。

速度の向き との内積は です。

つは直角に交わります。つまり糸そのものが、伸開線の法線になっている[3]。

青い糸と赤い接線が直角になっています。糸は円の接線でもあるので、 本の線が つの役目を持つ形です。

尖点は 1 か所だけ

では と が同時に になります。速度が消えるので、そこが尖点です。

点の位置は で、糸をほどきはじめる場所。糸の長さが の状態にあたります。

では なので、速度が になることはありません。尖点はこの か所だけです。

円の伸開線 、 の接線の傾きはどれか。

__RESULT__

、 です。割ると が約分され、 が残ります。

曲線の長さ

速さは です。 に比例して速くなります。

から までの長さを積分すると、 になります[1]。

の 乗で伸びるので、 周目より 周目のほうがずっと長い。ほどくほど糸が長くなるためです。

原点からの距離

先端の位置ベクトルの大きさを計算します。

展開すると交差する項が消え、 だけが残ります。

半径 と糸の長さ が直角に組み合わさった形です。三平方の定理が、そのまま出ています。

円の伸開線で、糸と伸開線の接線の関係はどれか。

  • 平行になる
  • 直角に交わる
  • 一致する
__RESULT__

速度の向きは 、糸の向きは です。内積が なので直角。糸そのものが法線になっています。

歯車の形に使われる

歯車の歯の形に、この曲線が使われています。かみ合う 枚の歯車で、接触する点が動いても力の向きが変わらない性質があるためです。

軸の距離が多少ずれても、回転の伝わり方が変わりません。組み立ての誤差に強い形として選ばれています。

糸をほどく話と機械の設計が、同じ曲線でつながっている。媒介変数表示が現実の形を作っている例です。

押さえるところ

糸の長さと弧の長さが等しい、という条件から式が作られます。
微分すると項が打ち消し合い、 になります。
接線の傾きは 。約分で が消えます。
糸は伸開線の法線であり、同時に円の接線でもあります。
尖点は の か所だけです。

計算そのものは短く、打ち消し合いを見届ければ終わります。糸の絵を思い浮かべながら式を追うと、どの項が何を表しているかが見えてきます。

参考文献

Involute - Wikipedia
Parametric equation - Wikipedia
Tangente - Wikipedia(ドイツ語)
ほどいた糸の長さが弧の長さに等しい、という条件だけで $x = a(\cos\theta + \theta\sin\theta)$ が作られます。糸がほどけていく様子を動かしながら、微分すると項が打ち消し合って $a\theta(\cos\theta, \sin\theta)$ になるところを追いました。糸は伸開線の法線であり、同時に円の接線。尖点は $\theta = 0$ の 1 か所だけで、歯車の歯の形にも使われています。