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三角形中惊现叛徒!自己胖得像个球,却能成就世界上最快的赛车引擎......

其实只是吃胖了的三角形。
 
撰文 | 超模君
 
一日,理科生上山寻访禅师。
 
理科生问禅师:“大师,世人为何总嫌我棱角太突出,不合群!”
 
禅师思索一阵,掏出数根圆柱铺在地上,在上面搁了一块木板,并推动它,说:“你看,轮子合作一致才能保持所承载木板的平稳前进,你能找到棱角突出的形状也让木板平稳前进吗?”
 
理科生默默地掏出一个莱洛三角形。
锋芒毕露的三角形里竟然出了这样一个圆滑的叛徒?超模君一定要搞清楚他是个什么东西!
 
小叛徒可不简单
 
最早发现这个“小叛徒”的是德国的工程师Franz Reuleaux,Franz Reuleaux认为这个小家伙将来能有大作用,于是用自己的名字为它命名,取名为莱洛三角形。
 
Franz Reuleaux是德国人,他可是一个非常厉害的全才哦。
 
在教育界,他当过ETH和柏林工业大学的教授和校长。
 
在工业界,他发明了300多种机械模型,被誉为动力学(kinematics)之父。
 
在政界,他是1876年世界工业博览会德国代表团的主席,参与创立了德国的专利体系。
 
如果你仔细观察一下莱洛三角形,你就能理解他为什么会叛变三角形家族了——它吃得太胖了!
在一个个都是三角形身材的“健美家族”当中,胖的像个球的莱洛三角形一点地位都没有~
 
莱洛三角形由三个圆相交得出,三条边皆为圆弧。
但是,减肥是不可能的,这辈子都不可能。
于是,它加入了新的阵营——定宽曲线家族,定宽曲线具有等宽性,即平面上一凸形封闭曲线,不论如何转动,其宽度永远不变,则称之定宽曲线或恒宽曲线。人们最熟悉的定宽曲线就是圆形啦。
 
在新的环境里大家都“胖得像个球”。莱洛三角形也就成了最瘦的那一位了。
 
通过勒贝格积分可以算出,莱洛三角形是定宽曲线所能构成的面积最小的图形。
没错,是Franz Reuleaux算出来的
 
他们的家族传统就是非常圆滑,圆滑到能够在平面上平稳滚动。
但莱洛三角形毕竟曾属于“有棱有角”的三角形家族,虽然表面圆滑,但骨子里还是非常有原则的,所以莱洛三角形最重要的特性之一就是它的转动轨迹是一个正方形。
看到这里,可能有的朋友会有疑问:超模君,那这个特性有啥用啊?
小身材有大作用
 
这个特性最早是被用于工业钻孔,自从发现了这个“小胖子”,人们想要打一个正方形的孔可不要太轻松啊!
这个钻头的原理就是这样滴:
除此之外,不少扫地机器人也被做成了莱洛三角形的样子:
而厂家之所以这样设计,不仅是因为这个图形具有科幻的美感,也是因为莱洛三角形旋转轨迹为正方形的特性,可以更好地打扫房间角落。
看到这里,也许你还觉得不以为然:这也不是很厉害嘛~
转起来成就神话
 
莱洛三角形最厉害的应用那就要数转子发动机了,这款发动机曾让无数车迷为它发疯尖叫、魂牵梦萦,甚至还引发了一场重要的变革。
 
要了解转子发动机有多厉害,首先我们要知道普通发动机的工作原理。现在市面上99%的发动机都是活塞发动机:
著名的豆腐外卖车AE86使用的就是活塞发动机
 
简单来说,普通的发动机是通过将燃料和空气注入活塞后点燃,产生“小爆炸”来推动活塞,这样就可以产生动能带动车辆运行。
下方曲轴需要转两周才能完成一次运动
 
这样一来,为了让活塞的上下直线运动转化为旋转运动,就必须使用曲柄滑块机构,不仅增加了零件的复杂性,还降低了效率。
 
而神一般的转子发动机就不一样了!它利用莱洛三角形顶点和汽缸壁的完美贴合特性,在保证密闭性的同时将汽缸分为了三个独立空间,三个空间同时分别完成进气、压缩、做功、排气的工作。
也就是说,三角转子自转一周,发动机能够点火做功三次!也就是说输出轴的转动速度可以达到三角转子的三倍!轻轻松松就能做到“万转”。
比如NSU试制的DKM原型机最高转速竟然达到了17000转。
 
转数越多,跑得越快。普通家用车发动机的转速极限在5000-6000转左右,普通人99%的驾驶过程发动机都在3000转以下。
《头文字D》让多少孩子憧憬着能开上11000转的车
 
以双缸汽油转子发动机为例,相比同等功率的6缸汽油传统发动机,它的零件总数约少20%,体积约小30%,自重降低近一半,而且噪音小。
 
说到这儿,也许你已经想到了:速度快、重量轻、噪音小,这简直就是专门为赛车手发明的呀!
 
还真没错,1991年的6月23日举行的勒芒24小时国际耐力赛当中,搭载了转子引擎的马某达787B赛车以领先第二名两圈多的巨大优势夺冠。
 
这也是转子发动机封神的一战。
这是迄今为止,唯一一辆在勒芒24小时耐力赛上夺冠的亚洲赛车。
 
什么?你问我为啥后来没再夺冠了?
 
因为第二年以转子发动机为引擎的赛车就被禁赛了,主办方给出的原因竟然是因为这个发动机不够环保!(有哪辆赛车是奔着环保去设计的吗???)
毫无疑问,转子发动机是一项非常成功的发明。它非常灵活的运用了莱洛三角形的特性,一下就将发动机的效率提升了三倍。
 
可是这么好的发动机为什么没有得到普遍的运用呢?
 
这是因为转子发动机技术还目前还不甚完善,有着耗油量高,保养复杂、保养费用高等缺点,很难作为家用车走进普通家庭。
 
简单来说,就是这玩意儿厉害是厉害,但缺点就是太烧钱了,一般人家玩儿不起。
话虽如此,自打1956年汪克尔第一次发明转子发动机开始,世界各大车厂就一直在疯狂抢夺转子发动机的开发权,想要先一步完善转子发动机技术。直到被马某达车厂重金买下独家开发权。
时至今日,马某达仍然没有放弃转子发动机的开发。有网友调侃是:有钱了就研究转子发动机,没钱了就卖卖车,攒点儿钱就继续研究。
 
这些表现都充分肯定了转子发动机的未来前景,也让众多车迷爱好者期待着。
 
据说2020年,他们还要推出一款搭载了转子发动机的油电混合动力新车型。
 
对此,超模君也是非常期待呀!但话又说回来,让我们来开一个脑洞:
 
转子发动机的特性除了适合赛车,超模君感觉也很适合无人机呀!毕竟目前的技术水平来说,油动力肯定比电动力的续航更有优势。
一台轻便、体积小、马力强的引擎也许可以在无人机领域碰撞出不一样的火花。说不定哪天就能实现了呢?
 
就算是异想天开也没关系,因为这种天马行空想象力就是人类最宝贵的地方,我们不断地发现世间万物的奇妙,并将这些发现应用在我们的生活当中,创造出一项又一项伟大的发明。
 
一个小小的莱洛三角形摇身一变,可以是钻出正方形的工业钻头;可以是清除死角的扫地机器人;可以是跑出世界第一的赛车引擎。
 
这种无限的可能性本身就是最神奇的。既然连三角形都可以转起来,那还有什么是不可能的呢?
 
 
写在最后
 
这就像很多小伙伴和超模君吐槽说数学可太难了!我肯定学不好的!
 
但其实只要你能够发现数学中蕴含的美,很多看似复杂的问题都会迎刃而解。在2600年的数学史长河里,藏着许多令人震撼且神秘的故事,数学引领着无数人为之探索。数学,就是他们共同的梦。
 
而当他们走过孤独的荒沙大漠,最终终将登上光荣的科学高峰。
 
作者简介
 
超模君,数学教育与生活自媒体博主,新晋理工科奶爸。出版过《芥子须弥 · 大科学家的小故事》;《数学之旅·闪耀人类的54个数学家》。后续数学文化创意多多,欢迎关注认识!
 
本文经授权转载自微信公众号“超级数学建模”。



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