求積儀的原理簡要說明

一、幾何部分的證明
求積儀,顧名思義就是測量區(qū)域面積的儀器,由于我的百度百科不知為何崩潰了一周,我又在維基百科上找到了介紹:

下面的六幅圖中,第一排第一張是球面(極點)求積儀、第四張是線性求積儀、第二排第二張是斧狀求積儀
我們先大概介紹一下求積儀的工作原理
大體來看,求積儀測量面積的過程實際上就是一個“長桿”在平面上掃動,這個掃動的過程我們可以用下面這張圖來表示:

圖中的左半部分是長桿左端掃過的區(qū)域,右半部分是長桿右段掃過的區(qū)域,由基本的割補原理,可以得到下面這個重要結論:

此時的S掃為長桿掃過的面積(理解為單次)
接著我們分解這個掃動的運動
很明顯,桿的運動可以分解為平動和轉動,其中,我們定義有向面積,即桿在沿其正法向方向運動時面積為正,反之為負,由此可以得到下面這個重要結論:

其中R是桿法向方向的距離,L為桿的長度
下面來說轉動:有向面積的定義類似,由此,我們可以得到下面的式子:

其中,θ為轉動角度,l為桿長
如果我們將桿的整體運動分解,將其所有法向移動視為f,轉動角度視為g,由此我們得到下面的式子:

最后的等號是因為,當求積儀為有約束的求積儀時,左端的移動距離最終為0,亦即θ經過正負向疊加為0,這就是求積儀的工作原理
那么對于斧狀求積儀又是怎樣的呢?
斧狀求積儀并不滿足左端閉合的情況,此時,我們只需反向再繞一圈,此時,左端的運動軌跡為閉合曲線,也就滿足了上述條件,但是對于其產生的誤差,可以用下面的式子表示:

σ表示重端的位移,顯然,在L充分大,重端與輕端質量差充分大時,逆時針與順時針的差可以忽略,法向位移等于重端位移,由此也證明了斧狀求積儀的使用原理
二、代數部分的證明
本篇僅以有約束軸的求積儀為例來證明
先給出咱們的兩個主角:極點求積儀和線性求積儀

左邊的是線性求積儀,右邊的是極點求積儀,我畫了兩個更形象一點的圖:

這是極點求積儀,L是桿長

這是線性求積儀,L同樣是桿長
事實上,我們可以將二者做一個統(tǒng)一,本質上,是左端受到約束曲線的約束,導致最終左端位移為0,我們用下圖來表示:

圖中(a,b)為左端坐標,(x,y)為右段坐標,L為桿長,那么運用格林公式,可以得到下面的推導過程:

當然,使用格林公式的“向量形式”也可以很好地解釋這個問題
由此,我們使用代數工具證明了有約束軸的求積儀的原理
另外地,如果使用閉合曲線的轉化方式,也可以將斧狀求積儀的證明轉化到這個上,其中法向位移近似等于重端位移即可,留給同學們自行探究?。ó斎粸榱藝乐?,可以用曳物線來近似)