波塞利耶-利普金机械

波塞利耶-利普金机械,发明于1864年,屬於平面连杆机构,是第一個真正可以將轉動運動轉換為直線運動的平面直線運動機構,它以法国陆军军官Charles-Nicolas Peaucellier(1832-1913)和立陶宛犹太人Yom Tov Lipman Lipkin(1846-1876,著名拉比Israel Salanter的兒子)的名字命名[1][2]

波塞利耶-利普金机械(相同颜色的线具有相同的长度)

在此機構發明之前,在沒有參考導軌的情形下,沒有平面機構可以將直線運動完美的轉換為轉動運動。1864年時,所有的動力來源是來自蒸汽机,其中有活塞,由汽缸施力,往上或往下運動。活塞和汽缸需要有良好的密封特性,讓蒸汽机中的蒸汽可以維持在汽缸內,不會因為漏氣而降低能量輸出的效率。活塞和汽缸維持密封的作法是讓活塞維持和汽缸壁平行的直線運動。因此如何讓活塞的直線運動轉換為旋轉運動就變的非常重要,大部份的蒸氣機應用都是旋轉運動。

波塞利耶-利普金机械的數學和圓的反演幾何有關。

薩魯斯連桿機構

在波塞利耶-利普金机械之前,有另外一個立體的直線運動機構,稱為薩魯斯連桿機構,比波塞利耶-利普金机械早11年發明,是由一組以樞紐相連的長方形組成。長方形之間可以以樞紐為軸旋轉,而長方形上的頂點會直線運動。薩魯斯連桿機構屬於立體的空間機構。

幾何

波塞利耶-利普金机械的幾何圖

在波塞利耶-利普金机械的幾何圖中,有六個固定長度的桿:OA, OC, AB, BC, CD, DA。OA和OC長度相同,而AB、BC、CD和DA的長度也都相同,形成菱形。O點是固定點。若B點限制在一個圓的圓周上運動(例如以OB為直徑,通過O和B二點的圓,圖中紅色的圖)。D點會延著直線運動(圖中的藍線)。若點B限制在一直線上運動(不通過O點的直線),則D點會在圓周上運動(通過O點的圓周)。

數學證明

共線

首先,需要證明O點、B點和D點共線。這可以用觀察的方式得知,連桿是兩側對稱的,以直線OD為對稱軸,因此B一定在此線上。

若要用正式的方式證明。因為邊BD和自身相等,邊BA和邊BC相等,邊AD和邊CD相等,因此三角形BAD和三角形BCD全等,角BAD和角BCD相等。

接下來要證明三角形OBA和三角形OBC全等。因為線OA和線OC相等,邊OB和自身相等,邊BA和邊BC相等,因此二三角形全等。角OBA和角OBC相等。

以下四個角的和是一個圓角,因此

∠OBA + ∠ABD + ∠DBC + ∠CBO = 360°

但因為三角形的全等,角OBA = 角OBC,角DBA = 角DBC,因此

2 × ∠OBA + 2 × ∠DBA = 360°
∠OBA + ∠DBA = 180°

因此,點O、B、D共線。

反演點

令點P為線段AC和線段BD的交點。因為ABCD是菱形,P會是線段AC和線段BD的中點,因此,線段BP和線段PD等長。

因為邊BP和邊DP相等,邊AP和自身相等,邊AB和邊AD相同,因此三角形BPA和三角形DPA全等。因此角BPA等於角DPA。但因為角BPA + 角DPA = 180°,因此角BPA和角DPA都是90°。

令:

則:

(因為畢氏定理
(因為畢氏定理)

因為OA和AD的長度固定,,因此OB和OD的乘積為定值:

又因為O點、B點和D點共線,因此D點是B點相對圓(O,k)(圓心在O點,半徑為k)的反演點。

反演幾何

透過反演幾何的特性,因為點D的軌跡是點B軌跡的反演。若B的軌跡是通過反演中心O的圓,則點D的軌跡會是一直線。若點B的軌跡是不通過點O的直線,則點D的軌跡是通過點O的圓。Q.E.D.

典型的主動件

圖中的滑塊搖桿四連桿是波塞利耶-利普金机械的輸入

波塞利耶-利普金机械有許多的反演機構。其中一個如圖所示,以滑塊搖桿四連桿( rocker-slider four-bar)為輸入,若要再細分,滑塊為輸入,使得搖桿以及波塞利耶-利普金机械轉動。

展覽物

在荷蘭埃因霍溫的永久展覽品中,有展覽物就是以此機構為主題。此展覽物大小為22乘15乘16(72乘49乘52英尺),重6,600(14,600英磅),遊客可以透過控制盤操作[3]


相關條目

參考資料

  1. . Kmoddl.library.cornell.edu. [2011-12-06].
  2. Taimina, Daina. . Kmoddl.library.cornell.edu. [2011-12-06].
  3. . Ivo Schoofs. [2017-08-14].

文獻

  • Ogilvy, C. S., , Dover: 4648, 1990, ISBN 0-486-26530-7
  • Bryant, John; Sangwin, Chris. . Princeton: Princeton University Press. 2008: 33–38; 60–63. ISBN 978-0-691-13118-4. — proof and discussion of Peaucellier–Lipkin linkage, mathematical and real-world mechanical models
  • Coxeter HSM, Greitzer SL. . Washington: Mathematical Association of America. 1967: 108111. ISBN 978-0-88385-619-2. 已忽略未知参数|url-access= (帮助) (and references cited therein)
  • Hartenberg, R.S. & J. Denavit (1964) Kinematic synthesis of linkages, pp 1815, New York: McGraw–Hill, weblink from Cornell University.
  • Johnson RA. reprint of 1929 edition by Houghton Miflin. New York: Dover Publications. 1960: 4651. ISBN 978-0-486-46237-0.
  • Wells D. . New York: Penguin Books. 1991: 120. ISBN 0-14-011813-6.

外部連結

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