اسپیروگراف

اسپیروگراف یا چرخ‌نگار که در ایران با نام دوایر جادویی اقلیدس شناخته می‌شود، نوعی اسباب‌بازی است که برای کشیدن اشکال هندسی پدیدآمده از منحنیهای ریاضی با روش درون‌چرخه‌زاد به‌کار می‌رود. اسپیروگراف اولین بار به‌دست دنیس فیشر گسترش یافت و در سال ۱۹۶۵ به بازار ارائه شد.
از واژه اسپیروگراف برای نام بردن از گستره ابزارهایی که برای کشیدن چنین اشکالی به‌کار می‌روند هم استفاده می‌شود. حتی می‌تواند برای نامیدن منحنی‌های درون‌چرخه‌زاد نیز به‌کار رود. اسپیروگراف از زمان خریده شدن شرکت دنیس فیشر به‌دست شرکت اسباب‌بازی‌سازی هازبرو، یک نشان تجاری ثبت‌شده شرکت هازبرو است.
تاریخچه
طرح‌هایی که با اسپیروگراف (چرخ‌نگار یا دوایر جادویی اقلیدس) کشیده شده‌اند.
ابزاری با نام اسپیروگراف ابتدا در سال‌های ۱۸۸۱ تا ۱۹۰۰ به‌دست ریاضیدانی به نام برونو آباکانویچ برای به‌دست‌آوردن مساحت زیر منحنی ساخته شد. اسباب‌بازی‌های کشیدن اشکال با چرخ‌دنده حداقل از سال ۱۹۰۸ وجود داشته‌اند؛ در این سال‌ها تبلیغات ابزاری با نام «مارولوس وندرگراف» با کارکردی مشابه در کاتالوگ فروشگاه سیرز چاپ می‌شده‌است. مجله مکانیک پسران در سال ۱۹۱۳ نوشتاری چاپ کرد که چگونگی ساخت ماشینی برای کشیدن وندرگراف را توضیح می‌دهد. اما اسپیروگراف امروزی به‌دست مهندس انگلیسی، دنیس فیشر، گسترش یافته و اولین بار در سال ۱۹۶۵ در نمایشگاه بین‌المللی اسباب‌بازی نورنبرگ نمایش داده شد. پس از آن، در شرکت خود او ساخته شد و امتیاز پخش آن به شرکت اسباب‌بازی کنر داده شد که در سال ۱۹۶۶ فروش آن را در آمریکا با تبلیغ اسباب‌بازی نوآورانه کودکان شروع کرد.
در سال ۱۹۶۸، «کنر» اسباب‌بازی «اسپیروتات» را ساخت که نسخه‌ای ساده‌شده از اسپیروگراف برای کودکان پیش از دبستان بود.
کارکرد
اسپیروگراف شامل قطعاتی است که معمولا آن‌ها را با پلاستیک می‌سازند و به‌صورت دایرهای یا دایره‌های بزرگ توخالی، مثلثی، میلهای و غیره هستند. در اطراف همه آن‌ها دندانههایی وجود دارد که باعث می‌شود در داخل یا محیط دایره‌های بزرگ بتوان آنها را چرخاند. در داخل قطعات معمولا سوراخ‌هایی وجود دارد که محل قرار گرفتن نوک قلم است و اشکال مختلف از آن‌ها ایجاد می‌شود.
پایه ریاضی
چپ
دایره ثابت با شعاع را درنظر بگیرید. دایره کوچک‌تر با شعاع در داخل دایره اول به‌صورت مماس بر آن می‌گردد. فرض کنید که نقطه در داخل دایره کوچک‌تر در فاصله از مرکز آن قرار گرفته‌باشد. فرض می‌کنیم که نقطه ابتدا بر محور Xها بوده‌است. طرح حاصل از اسپیروگراف از خط سیر نقطه در داخل دایره بزرگ به‌دست می‌آید.
حال دو نقطه را در نظر بگیرید. نقطه بر دایره نقطه‌ای است که دو دایره همیشه با هم در آن در تماس هستند. نقطه بر دایره جابجا می‌شود و محل اولیه آن همان نقطه است. با گرداندن به‌صورت خلاف عقربه‌های ساعت در داخل دایره ، دایره کوچک‌تر نسبت به مرکز خود به‌صورت موافق عقربه‌های ساعت می‌چرخد. فاصله‌ای را که نقطه بر دایره کوچک‌تر می‌پیماید، با فاصله‌ای که نقطه بر دایره بزرگ‌تر می‌پیماید برابر است.
پارامتر را میزان زاویه پیمایش‌شده توسط نقطه مماس و را میزان چرخش دایره درنظر می‌گیریم و ازآنجایی‌که میزان مسافت پیموده‌شده دو دایره برابر است، داریم:
یا:
را مرکز دایره در دستگاه مختصات مطلق درنظر گرفته و شعاع مماس مرکز دایره درونی است:
\begin{array{rcl
x_c-=-(R-r)\cos t,\\
y_c-=-(R-r)\sin t.
\end{array
مختصات نقطه در دستگاه مختصات جدید برابر است:
\begin{array{rcl
\hat{x-=-\rho\cos \hat{t,\\
\hat{y-=-\rho\sin \hat{t.
\end{array
برای به‌دست آوردن مختصات نقطه تماس در دستگاه مختصات قبلی داریم:
\begin{array{rcrcl
x-=-\hat{x+x_c-=-(R-r)\cos t+\rho\cos \hat{t,\\
y-=-\hat{y+y_c-=-(R-r)\sin t+\rho\sin \hat{t,\\
\end{array
حال، رابطه بین و را جای‌گذاری می‌کنیم تا مختصات نقطه مماس را تنها براساس یک پارامتر داشته‌باشیم:
\begin{array{rcrcl
x-=-\hat{x+x_c-=-(R-r)\cos t+\rho\cos \frac{R-r{rt,\\4pt
y-=-\hat{y+y_c-=-(R-r)\sin t-\rho\sin \frac{R-r{rt.\\
\end{array
در نظر می‌گیریم که:
و
پارامتر نشان‌دهنده میزان دوری از مرکز دایره درونی، و پارامتر نشان‌دهنده میزان بزرگی دایره درونی نسبت به دایره بیرونی است.
می‌دانیم که:
پس معادلات مماس را چنین به‌دست می‌آوریم:
\begin{array{rcl
x(t)-=-R\left(1-k)\cos t+lk\cos \frac{1-k{kt\right,\\4pt
y(t)-=-R\left(1-k)\sin t-lk\sin \frac{1-k{kt\right.\\
\end{array
زیروروکاری
درون‌چرخه‌زاد