日报标题:咦,为什么几根棉签放在盒子里,会自动组成这种形状?
知乎用户,凭虚御风,不知所止。
这个东西叫做单叶双曲面:
(图片来源:Hyperboloid)
其实这个方程是能推导出来的。题主问的是为什么会形成这个形状,那么我们就来归纳一下棉签到底处于什么样的条件。
首先对于单根的棉签而言,不难理解受到重力作用下滑,最终两端都在棉签桶的壁上。而对于多根棉签而言,由于他们的粗细和长度都相同,因此这里存在了两个约束条件:
1. 它们顶点和底端都在一个圆上。
2. 紧邻的两根棉签距离相同(也就是这个圆上的圆心角差距相同)。
接下来是粗糙的数学推导:
随便找一根棉签,假设它上下的坐标分别是:
(cosA, sinA, 1)和(cosB, sinB, -1)
这里假设了这个圆半径是 1,棉签自然垂落的高度是 2。具体数字并不影响最终形式,只是为了方便推导。
那么紧跟着它的一根棉签,旋转了一个小角度 x,上下坐标就应该是:
(cos(A+x), sin(A+x), 1)和(cos(B+x), sin(B+x), -1)
那么:
1. 两点可以确定一条直线。
2. 这条直线对于任意 x 成立,确定一条面。
于是我没事干推导了一下……
假设 B 等于 0,就是选一个特殊的起始点咯,然后第一个推导是两点的直线方程。后面暂时用 K 代替简化计算。
第二个推导就是把 x 和 y 分别弄出来。
第三个推导就是暴力运算了。
第四个推导只是把形式变得好看,类似于下面这个:
也就是单叶双曲面的方程。