Ako vyrobiť spirograf a cykloidu

 

V nie tak dávnych dobách, keď ešte neboli príliš rozšírené počítače a tlačiarne, bolo vzácnosťou vytvoriť symetrické geometrické obrazce. Snehové vločky sme vytvárali vystrihovaním preloženého papiera alebo kreslením cykloidy pomocou spirografu. Cykloida je krivka, ktorú vykresľuje bod odvaľovaním kružnice po inej kružnici. Vetvy cyklodidy potom pripomínajú kvet alebo snehovú vločku. Mechanická pomôcka na vytvorenie cyklodidy sa nazýva spirograf. Ide o dve ozubené kolieska, ktorá sa odvaľujú po sebe a pomocou ceruzky v otvore sa vykresľuje cykloida. Nižšie je návod na výrobu rôznych druhov spirografov.

 

Jednoduchý spirograf


Jednoduchý spirograf sa dá vyrobiť z recyklovaním vecí, čo by sa inak stali odpadom. Stačí sa len poobzerať okolo seba a nájsť vhodné objekty.

 

 

Rolka lepiacej pásky, plastový vrchnák a gumička.

 

 

Ako vyrobiť jednoduchý spirograf

 

Do plastového vrchnáku spravíme pár dier, v rôznych vzdialenostiach od stredu. Aby neboli otvory blízko seba, je vhodné ich rozložiť do tvaru špirály. Ale funguje to aj keď budú rozmiestnené rôzne náhodne. Na obrubu vrchnáku dáme gumičku, aby sa zvýšilo trenie medzi vnútorným a vonkajším kruhom. Potom už len krúživými pohybmi vykreslíme cykloidu.

 

 

 

Môžeme experimentovať s rôznymi priemermi vnútornej aj vonkajšej kružnice.

 

 

 

Drevený spirograf

 

Spirograf z plastového vrchnáku funguje celkom dobre, ale pri otvoroch, ktoré sú už príliš blízko okraju, začína prešmykovať. Proti prešmyku je preto vhodné použiť dve ozubené kolieska.

 

 

Predloha pre rezanie laserom: PNG

 

 

 

Pomocou laseru som vyrezal z preglejky dve ozubené kolieska, ktoré síce neprešmykujú, ale znovu pri otvoroch blízko okraju pôsobí výslednica síl tak, že malé ozubené koliesko je vytláčané dohora od podložky. Navyše som zistil, že vonkajšie ozubenie na veľkom kruhu nemá zmysel, pretože sa mi pri kreslení krížia ruky a nedokážem tak spraviť viacero otáčok.

 

 

 

Plastový spirograf na 3D tlačiarni

 

Drevený spirograf bol síce lepší ako obyčajný plastový vrchnák, ale chcelo by to nejako vytvoriť obrubu, ktorá by zabraňovala vytláčaniu vnútorného kolieska.

 

Spirograf pre 3D tlačiareň STL

 

Do tretice som teda vytvoril model pre 3D tlač. Pridal som aj otvory trojuholníkového tvaru, ktoré vytvárajú ploché okraje na vetvách cykloidy. STL na stiahnutie: vnútorný , vonkajší.

 

 

Spirograf a cykloida

 

Tlačiareň má ale horšie rozlíšenie ako laser. Niektoré zuby sa nevytlačili úplne dokonale ale vďaka obrumbe už nie je vnútorné ozubené koliesko vytláčané dohora.

 

 

 

Parametrické rovnice

 

Výhodou počítačových výpočtov je to, že môžeme dopredu nasimulovať a preveriť rôzne polomery kružníc a nechať si tak vykresliť hypotrochoidu. Nižšie sú jej parametrické rovnice:

 

Hypotrochoida

 

Parameter p je uhol v radiánoch, R je polomer vonkajšej kružnice, r je polomer vnútornej kružnice. Rozmer k je vzdialenosť otvoru na ceruzku, meraný od stredu menšej kružnice.

 

 

Hypotrochoid a cykloida polomery kružnice

 

Čo sa týka rozmerov, najdôležitejší je vzájomný pomer R/r, ktorý určuje počet vetiev. Teda ak R/r=3 dostávame troj cípy tvar nazývaný deltoid. Ak R/r=4 dostávame štvôr cípy tvar nazývaný astroid. Ale ak je R/r nejaké desatinné číslo medzi 3 a 4, dostaneme mnoho vetiev všeobecnej hypotrochoidy. Nižšie sú vykreslené niektoré ukážky.

 

Hypotrochoida Hypocykloica animácia

 

 

Pomer k/r udáva pozíciu otvoru pre ceruzku. Teoreticky ak by bol otvor umiestnený až na okraji malej kružnice tak k/r=1 a dostávame ostré ramená. Ak sa pomer k/r zmenšuje a blíži sa k nule, dostávame ramená zakončené oblúkom alebo slučkou.

 

Hypotrochoid Excel

 

Všetky obrázky boli vygenerované pomocou rovníc cez Excel. Interaktívny súbor na stiahnutie: spirograf.xlsx

 

en