Rotating Coin


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题目

你用左手拇指将一枚美国25美分硬币牢牢按在桌面上,用右手食指旋转第二枚25美分硬币绕着第一枚硬币转一圈。

由于硬币边缘有齿,它们会像齿轮一样互相咬合,第二枚硬币在绕着第一枚硬币移动时也会旋转。

那么,第二枚硬币会旋转多少圈?

分析

这道题目被称为“硬币旋转悖论”(Coin Rotation Paradox)。先看一个动画演示:

可以看出,灰色硬币(起始右边的那个)的红点在灰色硬币绕蓝色硬币转了半圈后,就完成了1圈。因此,如果灰色硬币绕蓝色硬币转完整一圈后,红点转了2圈,也就是灰色硬币转了2圈。

我看到最简明的解释是这样的:

两个硬币的半径都是r,而灰色硬币的中心的轨迹是一个半径2r的圆,其周长是\(2\pi (2r)\)。硬币直线走一圈可以走\(2\pi r\),所以需要走两圈。

或者这样理解:

当第二枚硬币绕第一枚硬币滚动一圈时,它的运动包含两部分:

  1. 公转:第二枚硬币的中心绕第一枚硬币的中心画一个圆。
  2. 自转:第二枚硬币自身旋转一圈。

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