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解答:1. 我們可以用 A 和 B 來表示整個軌跡。它將取決於汽車速度 b、圓盤的旋轉速度 s 以及距離 d、e 和 r。
參見:http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig1.doc
假設起點角度為 A,我們想要計算到圓盤邊緣的距離。由於與汽車相比,圓盤移動緩慢,我們可以嘗試將從起點到圓盤邊緣的距離近似為 d/cos(A)。 (此距離假設從原點到圓盤頂部,然後到原點軌跡擊中圓盤的點形成的三角形是直角三角形,而實際上它是一個略微傾斜的三角形。)因此,從起點到圓盤的行程時間大約為 d/(b cos(A))。
稍後我們將糾正此近似值。
這個結果意味著 C = arcsin ((d tan(A))/r)。
類似地,D = arcsin ((e tan(B))/r),並且從圓盤到目的地的距離為 e/cos(B)。從圓盤到目的地的行程時間為 e/(b cos(B))。
現在,使用我們的弦法,並參考下圖,我們將尋找一個角度 H,使得在旋轉圓盤的座標系中穿過弦的時間等於圓盤適當旋轉的時間。
http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig5car.doc
因此,H 由我們希望汽車在絕對平面中位移 (180 – (C + D)) 度這一約束唯一確定。
我們將此稱為目標角度位移,或簡稱 tad。
tad 將等於弦所對的角度(achord = 180 – 2H)加上當弦被穿過時圓盤旋轉的量。
adisk = 圓盤在弦被穿過時旋轉的角度
= s * 穿過弦的時間
其中穿過弦的時間 = 弦長/b
其中弦長 = 2r cos(H)。
因此,adisk = (2rs cos(H))/B,並且我們有 adisk + achord = tad。
此結果約束了 H。
因此,總時間等於從起點到圓盤的時間加上穿過圓盤弦的時間加上從圓盤到目的地的時間。給定 A 和 B,可以找到所有這些時間。
由於計算機沒有報錯,我嘗試了許多 A 和 B 的值,直到得到最佳值。
現在讓我們重新審視一下這個近似值。
實際上,從起點到圓盤的距離稍微複雜一些。為了弄清楚,請注意從圓盤中心到 Y 的距離為 r。
設 X 為從 Y 到虛線的垂線與虛線的交點。[見圖 eddyfig1.doc] 因此,r cos C 是從圓盤中心到 X 點的距離。(我們還不知道 C,但我們將透過迭代來計算它。)
回想一下,從原點到圓盤中心的距離為 d + r,即從原點到圓盤最頂點的距離加上半徑。因此,從原點到 X 點的距離,簡稱為 dsp,為 dsp = d + (r – r cos C)。這意味著從起點到圓盤的線段距離為 [d + (r – r cos C)]/cos A。
為了透過迭代確定角度 C,我們從 dsp 的初始估計值(即 d/cos(A))開始。此估計值與 A 一起,給出了 X 和 Y 之間距離的估計值:dsp * sin(A)。這反過來又給出了 C 的初始估計值,即 arcsin(r/(dsp * sin(A)))。此公式允許我們將 dsp 重新計算為 d + (r – r cos C)。
數值結論是,使用最佳路線的總時間約為 56.8 秒。(如果圓盤根本不移動,則將為 60 秒。)A 和 B 各為 13 度。巧合的是,C 和 D 各約為 13.7 度。這意味著需要在圓盤周圍移動近 153 度,但由於圓盤旋轉得很快,因此弦所對的角度僅為 114 度。在圓盤上的時間略低於 25.2 秒,在此期間,圓盤旋轉了 37.7 度多一點。因此,這些數字在 1 度以內匹配,這對於比賽來說已經足夠了。
2. 我得到的 A 和 B 的最高平均值約為 15 度。這發生在每分鐘 125 到 145 度之間的旋轉速率下。請注意,更高的速率會縮小 A 和 B 的值。在每秒 10,000 度時,A 和 B 會減小到大約 1 度。