2011/07/11

內輪差面積計算與證明

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前言:首先,我認為這是一個很有趣、並相當有難度的題目,對於自身喜歡挑戰數學或物理題目的讀者這是很適合深入研究的一個生活問題,建議各位可以自己先動手算算看,再參考本人的解法,若是先看過解法後在思考會容易的許多,而本題的困難度多數來自於思考、概念部分是比較值得挑戰的。適合高中以上。
雖說這道題目是在我腦海中出現的,但搜尋後網路上也是有人討論過這個部分,但大多數都是將問題簡化過後再作討論,甚至有論文根本計算錯誤,這在文末會加以探討。

問題
請求出大車轉彎所造成之內輪差危險區域面積,如下圖一紅色部分。

可能的考題
大型車輛如公車、聯結車等前後輪間距較長的車輛在轉彎時容易因前後輪軌跡不一致形成的內輪差危害路人安全(如下圖一所示)。假設內側前輪固定轉向角繞1/4圓作等速率圓周運動旋轉,內側後輪對地面只有平行車身之純轉動及以接觸面為軸之垂直轉動*,內側前輪則只有平行車身之純轉動,轉向後作等速度直線運動直到無限遠。試自行假設參數並逼近內輪差所造成之區域面積。

*「以接觸面為軸之垂直轉動」:示意圖如(圖二)。
(圖一) (圖二)