Автор Тема: Помоги точке выбраться из бочки  (Прочитано 3289 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Race

  • Глобальный модератор
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1642
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Имеем математическую бочку цилиндрической формы (толщиной стенки и радиусом отверстий должно пренебречь), радиус основания 5, высота бочки 10. На одном основании на расстоянии 2 от центра устроено отверстие, на втором основании отверстие на расстояние 4 от центра. Расстояние между отверстиями 11,5.
Математическую точку (размерами и массой которой должно пренебречь) помещают в одно из отверстий.
Требуется определить минимальный путь который может пройти точка до второго отверстия, перемещаться оная может лишь по поверхности цилиндра.

Задача честно скомунизджена с другого ресурса.

Для начала можно заменить цилиндр на куб, но, если мне не изменяет память, похожая задача уже была на данном форуме.
 :pink:

Оффлайн hripunov

  • Эксперт
  • ******
  • Сообщений: 5631
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #1 : 11 Март 2021, 01:08:46 »
В свое время встречал похожую задачу.  Геометрического решения найти не удалось.  С помощью тригонометрии можно решить.   При озвученных данных  условия ответ примерно   171.5   ( точнее считать к сожалению нет времени) .
На схеме - проекция пути на одно из оснований, эта же схема представляет идею решения. Нужно найти угол а, и задача будет решена.

Довольно интересна и более простая задача, где нет высоты:
В круге  отмечены произвольно две точки.  Таракан должен кратчайшим путем перебежать из одной точки в другую, побывав на границе круга.
Это из области отражений в цилиндрических зеркалах.
« Последнее редактирование: 11 Март 2021, 01:27:49 от hripunov »
Сеня! По-быстрому объясни товарищу, почему Володька сбрил усы!...

Оффлайн Race

  • Глобальный модератор
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1642
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #2 : 11 Март 2021, 12:27:06 »
 :surrender:
hripunov,
эх, а с таким подходом я не был знаком, если я верно понимаю, то данная траектория превращается в прямую если разложить цилиндр на плоскость соответствующим образом?
С плоском попробую повозиться.

Оффлайн hripunov

  • Эксперт
  • ******
  • Сообщений: 5631
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #3 : 11 Март 2021, 15:16:45 »
Раце,  путь , конечно же , при разворачивании на плоскость  становится прямой линией.  Но цилиндр ( в отличие от параллелепипеда) на плоскость не разворачивается. Мы можем только развернуть его боковую поверхность и приставить к ней два круга – верхнее основание и нижнее. А в каких точках и под каким углом поворота приставлять  -  так просто не определить.
Но мы знаем, что  угол а  - постоянный для этого пути : это угол встречи траектории движения по поверхности с линией излома.  И с помощью тригонометрии мы можем его найти.  Теоретически можно написать единое семиэтажное уравнение, но я решал поэтапно: получая промежуточные  коэффициенты с округлениями  и подставляя их в более простые уравнения.   Такая белиберда, что печатать ее неприлично.   Но в итоге угол получается достоверный , хоть и с погрешностями в минутах и секундах. Достоверность проверяется практически: отклонение вправо-влево дает  более длинный путь.
Вторая задача встречается в разных формулировках . Например:
Человек живет на равнине около круглого озера. Он увидел, что   вдалеке загорелся стог сена. Ему надо кратчайшим путем добежать с ведром от дома до стога, по дороге зачерпнув воды в озере.
Круг и две точки даны.
Найти траекторию движения.

Это – пример внешнего отражения от цилиндра.  А про таракана – то же самое, только там внутренне отражение.  Геометрическое решение (построение циркулем и линейкой ) этих задач мне не известно, и я нигде его не встречал.    Обе задачи  решаются с использованием тригонометрии.


« Последнее редактирование: 11 Март 2021, 15:18:44 от hripunov »
Сеня! По-быстрому объясни товарищу, почему Володька сбрил усы!...

Оффлайн Race

  • Глобальный модератор
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1642
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #4 : 11 Март 2021, 17:46:56 »
Я решал примерно таким же образом, только как гарантировать отверстие на нижней точке именно в нужном месте не придумал.
При таком раскрое, если двигать нижнее основание по раскрою боковой поверхности то отверстие будет перемещаться по соответствующей окружности... Дальше я забуксовал.

Оффлайн hripunov

  • Эксперт
  • ******
  • Сообщений: 5631
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #5 : 11 Март 2021, 20:26:54 »
Я решал примерно таким же образом, только как гарантировать отверстие на нижней точке именно в нужном месте не придумал.
При таком раскрое, если двигать нижнее основание по раскрою боковой поверхности то отверстие будет перемещаться по соответствующей окружности... Дальше я забуксовал.
Тут все дело в поиске  нужного угла.  Он определяет одновременно  дугу проекции участка движения по  вертикальной цилиндрической стенке ( здесь это 10*tg a), и направление движения от старта.   Если стенка неимоверной  высоты, то от точек по основаниям нужно прямиком ползти к ближайшему краю.  А если как здесь, то без решения уравнения  не обойтись.
« Последнее редактирование: 11 Март 2021, 20:48:20 от hripunov »
Сеня! По-быстрому объясни товарищу, почему Володька сбрил усы!...

Оффлайн matmrio

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 3
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #6 : 14 Март 2021, 01:08:05 »
Эта задача возникла сначала на одном физмат-форуме в районе 1 марта, который рухнул четыре дня назад, где похоже решение так и не было найдено, хотя идея решения тоже сводилась к поиску спрямленного пути на развёртке цилиндра. Потом пару дней назад она появилась на другом физ-мат (компьютерном) форуме, где вчера решили её с помощью Mathcad - ответ вышел 17.198 см. Вот картинка с числовыми подробностями (радиус внешней окружности равен 5 см):
« Последнее редактирование: 14 Март 2021, 01:13:01 от matmrio »

Оффлайн hripunov

  • Эксперт
  • ******
  • Сообщений: 5631
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #7 : 15 Март 2021, 00:35:40 »
Эта задача возникла сначала на одном физмат-форуме в районе 1 марта, который рухнул четыре дня назад, где похоже решение так и не было найдено, хотя идея решения тоже сводилась к поиску спрямленного пути на развёртке цилиндра. Потом пару дней назад она появилась на другом физ-мат (компьютерном) форуме, где вчера решили её с помощью Mathcad - ответ вышел 17.198 см. Вот картинка с числовыми подробностями (радиус внешней окружности равен 5 см):
Выходит, у меня погрешность довольно значительна: 0.4 мм. Это не удивительно: если  решение идёт через поиск начального угла, то доли минут имеют значение.
 А интересно, решение через Маткад - это просто машинный  перебор вариантов, или все-таки решение уравнения?
  Мой способ - это уравнение , основанное на выражении двумя  способами угла, который на вашем рисунке выделен светло-зелёным. С помощью уравнения находится угол а - угол падения искомой линии траектории на линию излома; а на основании этого угла подсчитывается длина пути.
Сеня! По-быстрому объясни товарищу, почему Володька сбрил усы!...

Оффлайн matmrio

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 3
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #8 : 15 Март 2021, 12:14:12 »
При решении в Mathcad была составлена целевая функция в виде суммы длин отрезков АС, CD и DB, которая зависела от двух угловых переменных, задающих положения точек С и D на внешней окружности. Дальше в Mathcad эта целевая функция минимизировалась. Для проверки смотрел маршрут на развёртке цилиндра - получилась прямая линия - т.е. был получен правильный результат!

Оффлайн Race

  • Глобальный модератор
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1642
    • Просмотр профиля
    • E-mail
Re: Помоги точке выбраться из бочки
« Ответ #9 : 16 Март 2021, 13:44:43 »
matmrio,
именно с матхелппланет я и припер эту задачу) Хотелось бы решить эту задачу чисто геометрически, но... Учитывая угловое перемещение основания по развертке боковой поверхности не знаю как это сделать.