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Descrição
繁花曲线规,又称万花尺、龟兔板,是一种基于数学原理的智力玩具,由上海发明家杨秉烈于1976年受饼干花纹启发研制而成。该工具由环状内齿轮与带孔外齿轮组成,通过小齿轮在大齿轮内侧或外侧滚动绘制曲线,其图案形状由齿轮齿数比和笔尖位置决定,可生成内旋轮线、外旋轮线等几何轨迹 。1979年杨秉烈凭借该发明获得国家发明奖 。
繁花曲线规通过参数方程描述笔尖轨迹,数学原理涉及固定圆与滚动圆的相对运动规律。该工具曾用于人民币防伪花纹设计,并在《最强大脑》节目中作为挑战项目出现。随着技术进步,其衍生出支持多孔同步绘制、色彩调整的电脑模拟软件及三维绘制版本,扩展了在教育和艺术领域的应用范围 。
使用方法
- 用一手按住大齿轮,让它紧贴在纸上,不能移动。在大齿轮里放一只小齿轮,把笔尖插进小齿轮的某一个孔里,让小齿轮紧贴大齿轮内壁滚动,这时笔尖就会在纸上画出许多美丽的曲线花纹。改变小齿轮圆心和小孔的距离,即可作出千变万化的图案了。
- 另外,也可按住小齿轮,把笔尖插入大齿轮的某个小孔中,使大、小齿轮啮合运转,同样也能画出各种美丽的曲线。
原理
大小齿轮的齿数之比(也就是大小齿轮的半径比),约为最简分数时,其分母就是小齿轮沿着大齿轮的公转数,分子就是图案中的花瓣数,而分子和分母的差就是小齿轮的自转数。所以,只要掌握这个最简分数,就能知道画出来的图案大概是什么形状的。
总而言之,选择不同的齿轮与不同的孔,就可画出细腻、动人的各种曲线,例如玫瑰线、内摆线等等。
关于模型制作
我试验了齿轮模数最高到8最低到0.5,模数太低那就是灾难,画着画着就跑偏的多是模数太低,齿轮间隙和齿轮深度都太小。
3D打印毕竟不同于CNC精加工,受限于喷嘴和耗材质量,不适合于太小的细节处理,模数小的齿轮用于传动应该还行,但在这里运用就不合适了。
所以,模数越大肯定越爽,当然8已经是极限,再大就不适合这种小件使用了。
模型Ⅰ的模数是8,模型Ⅱ的模数是2,大家可以按需选择。
关于画板使用
- 使用时,笔尖力量不要用力向下(纸面),太大力容易将纸戳通,造成滑动卡滞。笔尖力量应当尽量让转动齿轮向固定齿轮方向靠拢,只有两个齿轮紧密啮合接下来的动作才能顺畅不会脱开。
- 模型2的画面会比较大,生成绘图的线条也会更多更密集,绘画需要耐心。
- 切记运笔不要用力,使用前确定所有齿轮形状打印完整,齿轮之间清爽没有耗材残留,如果有一定去除之后再行使用。可以先空滑看是否啮合紧密顺畅,再用笔进行勾画。
小齿轮不动大齿轮动就是个挑战,可以尝试完成看有什么意想不到的效果。