The Rigidity of Compound Spatial Grids
Abstract
Ce document se divise en deux parties; premièrement, la dépendance linéaire des droites, et deuxièmement, la rigidité des réseaux spatiaux. Il tente de définir une méthodologie permettant de faire l'investigation d'un réseau a u spatial afin d’en déterminer la rigidité ou la non rigidité. Le réseau étant constituté de liens (droites) et de nceuds (rotules) dont la configuration relie deux éléments rigides. Autrement dit, le réseau forme une attaché entre les deux éléments et il s'agit de déterminer si cette attache est rigide ou si elle n'est pas rigide (mouvement mécanique ou infinitésimal).
Full text
La igidi 6 des 6seaux spa iaux compos6s
pa Alain Dandu and
*
Topologie
s uc u ale
#lo,
1984
In oduc ion
Ce documen se di ise en deux pa ies; p emi emen , la dCpendance linkai e des d oi es,
e deuxi&memen , la igidi 6 des beaux spa iaux. I1 en e de dk ini une mk hodologie
pe me an de ai e l'in es iga ion d'un kau spa ial a in &en d e mine
la
igidi 6
ou
la
non igidi k. Le Cseau C an cons i u de liens (d oi es) e de nceuds ( o ules) don la
con igu a ion elie deux ClCmen s igides. Au emen di , le kau o me une a ache
en e les deux Clhen s e il s'agi de dC e mine
si
ce e a ache
es
igide ou si elle n'es pas
igide (mou emen mkanique
ou
in ini bimal).
La dbpendance linhi e des d oi es
Deux d oi es dans l'espace son , soi concou an es, soi gauches. Si les deux d oi es ab e
bc son
coacou an es,
les d oi es du
aimu
de cen e b son di es lin ai emen dbpen-
dan es de ab e
bc.
Si
Ies
deux d oi es son gauches, les seules d oi es d pendan es son
les
deux d oi es elles-memes.
T ois d oi es gauches
dans
l'espace
db inissen un hype boloide
A
une
nappe
ou
une
pa abololde hype bolique
(Figu e
1).
Tou es
les
gCn a ica de
la
mhe amille su ce e
su ace, appelk
le
dgnhm,
son in ai emm d-ndan es aux
ois
d oi es donn es.
1
I
S uc u al Topology
#lo,
1984
I
The
Rigidi y
o
Compound Spa ial
G ids
I
c
I
In oduc ion
This a icle is in wo sec ions: i s ,
on
linea dependence o lines, and second,
on
he
igidi y o spa ial amewo ks.
Ou
pu pose
is
o de ine
a
me hodology which will pe mi
us
o in es iga e
a
spa ial amewo k, o de e mine i s igidi y o non- igidi y. The
amewo ks in ques ion consis o ba s (line segmen s) joining wo igid bodies, he ba s
being a ached o he bodies a uni e sal join s. In o he wo ds, he amewo k o ms a
link be ween wo igid bodies, and i is
a
ques ion o de e mining i his linkage is igid,
o
else
is
non
igid and pe mi s ei he a mechanical o in ini esimal ela i e mo ion o he wo
bodies.
Linea Dependence
o
Lines
Two lines in space a e ei he concu en
o
skew. I he
wo
lines ab and
bc
a c
commen ,
he lines in he la
pencil
wi h cen e b a e said o be linea ly dependen
on
ab and
bc.
I
he !wo ines a e skew, he only dependen lines a e he
wo
lines hemsel es.
Th ee skew lines in space ddine
a
hype boloid o one shee
o
a
hype bolic pa aboloid
(Figll e
1).
All
he lines in one amily o gene a o s o his su ace, which amily is called a
g9h ,
a e
linea ly dependen on any gi en
se
o h ee o hose lina.
el
---
--
42
Topologie
s uc u ale
#lo,
1984
G n alemen , une con igu a ion den d oi es, aucune d‘elles n’ an dkpendan es des n
-
1
au es, son di es lin ai emen indkpendan es.
E an donne un ensemble
B
de d oi es e son sous-ensemble A, nous pou ons di e que le
sous-ensemble
A
engend e I’ensemble
B
si ou es les d oi es de
B
son lin ai emen
dkpendan es
I
la con igu a ion o m e pa les d oi es de
A.
Le ang de l’ensemble
B
es le
nomb e minimum de d oi es pou an engend e I’ensemble
B.
L’ensemble ide es de
ang
0.
L’ensemble de ou es les d oi es de l’espace es de ang
6.
Ainsi ous les ensembles
de d oi es posseden une aleu de ang de numk o
R
en e
0
e
6.
On appelle a ib un ensemble de d oi es qui con ien :
a) a ec les deux d oi es concou an es, aussi les d oi es du aisceau g n ;
b) a ec les ois d oi es gauches, aussi les d oi es du kgulus g n k.
Ceci an , un ensemble de d oi es es une a ik si aucune d oi e ex k ieu e
B
I’ensemble
n’es dependan e des d oi es de I’ensemble.
Nous
a ons d ji men ionn les deux a ie s de d oi es de ang
2
e une des a i s de
ang 3. Au o al,
il
exis e qua e a ik s de ang 3:
3a) le gulus,
3b) I’union de deux aisceaux non coplanai es e de cen es di en s mais ayan une
d oi e commune,
3c) ou es
les
d oi es passan pa un poin ,
3d) ou es les d oi es dans un plan.
Les a ik ks de ang 4 son appelkes cong uences.
I1
en exis e qua e:
4a) la di usion lin ai e, la a i de d oi es con enan exac emen une d oi e pa chaque
poin de I’espace (engend e pa un ensemble de qua e d oi es gauches e ind pendan es),
4b) ou es les d oi es concou an es
B
deux d oi es gauches,
4c)
I’ensemble des aisceaux
i
un pa ad e, ous ayan une d oi e commune e o man
une a ik ,
4d)
ou es
les
d oi es dans un plan
ou
passan pa un poin de ce plan.
Les a i s de ang
5
son appelkes complexes.
I1
en exis e deux:
5a) non singuli e:
la
a ik de d oi es con enan exac emen un aisceau de d oi es pa
chaque poin de I’espace (engend ke pa un ensemble de cinq d oi es gauches e
indipendan es),
5b) singulihe: ou es les d oi es concou an es
B
une d oi e donn e.
Ces a i s son illus kes dans le Tableau
1.
Le Tableau 2dkc i Ie cheminemen c k pa
I’addi ion d’une d oi e ind pendan e
I
lacon igu a ion minimum. Pa exemple, il
ya
ois
aqons dis inc es d’ajou e une qua ihe d oi e ind pendan e
I
un gulus o m6 de ois
d oi es ind pendan es. Dans la p emii e, la d oi e ne p ne e pas le kgulus. Dans la
seconde,
la
d oi e p n e le gulus e le pe ce en deux poin s. E dans la oisi me, la
d oi e es angen e en un poin du gulus. Les p op ik s de g nk a ion de la nou elle
con igu a ion d penden de la acon don la d oi e ind pendan e es ajou Ce. Ainsi
chacune de ces addi ions mhe
B
une a i k di en e de ang
4.
Le Tableau
3
illus e des
con igu a ions poss dan les memes p op i ks de g n a ion que ce aines des con igu a-
ions du Tableau
1
mais posskdan des p op ik ks combina oi es di k en es.
Mo e gene ally, a con igu a ion o n lines, no one
o
which
is
dependend on he o he n
-
1
lines, is said o be linea ly independen .
Gi en a se
B
o lines and a subse A o
B,
we say ha he subse A spans he se
B
i all he
lines in
B
a e linea ly dependen upon he con igu a ion o med by he lines in
A.
The
ank
o he se
B
is he minimum numbe o lines which span he se
B.
The emp y se has ank
0.
The se o all lines in space has ank
6.
Thus any se o lines has as i s alue
R
o ank,
some numbe be ween
0
and
6.
A a ie y is a se o lines which con ains:
a) along wi h any wo concu en lines, also he lines o he la pencil hey gene a e;
b) along wi h any h ee skew lines, also he lines o he egulus hey gene a e.
This being he case,
a
se o lines is a a ie y i no line ou side he se is dependen upon he
lines in he se .
We ha e al eady men ioned he wo a ie ies o ank
2,
and one o he a ie ies o ank 3.
In all, he e a e ou di e en ypes o a ie ies o ank 3:
3a) he egulus,
3b) he union o wo la pencils, no coplana , wi h di e en cen es, ha ing a line in
common,
3c) all he lines passing h ough a poin ,
3d) all he lines lying in a plane.
The a ie ies o ank
4
a e called cong uences. The e a e ou ypes:
4a) a linea sp ead, ha ing exac ly one line passing h ough each poin in space (gene a ed
by ou independen skew lines),
4b) all he lines concu en wi h wo skew lines,
4c)
a one-pa ame e amily o la pencils, ha ing one line in common, and o ming a
a ie y,
4d)
all he lines in a plane, o passing h ough one poin in ha plane.
Va ie ies o ank
5
a e called complexes. The e a e wo
ypes:
5a) non singula : a a ie y o lines con aining exac ly one la pencil h ough each poin in
space (gene a ed by i e independen skew lines),
5b) singula : all he lines mee ing one gi en line.
These a ie ies a e illus a ed in Table
1.
Table 2 desc ibes he consequence o adding lines
one by one s a ing wi h
a
single line. Fo example, he e a e h ee dis inc ways o adding
a ou h independen line o a se o h ee skew lines gene a ing a egulus. In he i s case,
he added line does no mee he egulus. In he second, i pene a es he egulus, mee ing
i in wopoin s. In he hi d, he line is angen o he egulusa one poin . The p ope ies
o he esul ing con igu a ion gene a ed by he addi ion o one line depend on he choice
o he added line. Each o he abo e ways o adding a line esul s in a di e en
con igu a ion o ank 4. Table
3
shows combina o ially dis inc igu es o lines which a e
equi alen o he gene a ing sys ems shown in Table
1.
1
2
3
'[XI
4'[X]
5
6
'[I
'[XI
"773-1
B[m]
'[,I
B
S uc u al
Topology
#lo,
I984
43
D[j77]
1
..
.
Tableau
1
-Table
1
44
Topologie
smc u ale
#lo,
1984
Tablmu
2
-
Tde
2
S we anal
Topology
#
10.
I984
45
0
4c
0000
00.0
Tabkau
3
-
Tabk
3
46
Topologie
s uc u ale
#lo,
1984
Les cons uc ions sui an es dk e minen les mb hodes pou ou e
il
pa i d’une con i-
gu a ion de d oi es independan es une d oi e dependan e
il
la con igu a ion.
Cons uc ion
1
(Figu e
2).
T ou e la d oi e concou an e aux d oi es
1
e 2pa le poin p.
1. Le poin p e la d oi e 1 o men le plan opq.
2.
Le poin p e la d oi e
2
o men le plan s .
3.
La d oi e che chk es la d oi e d’in e sec ion des plans opq e s :
xy.
Cons uc ion
3A1
(Figu e
3).
T ou e une d oi e dependan e au kgulus 1-2-3.
1. T ou e ois d oi es quelconques concou an es
il
1, 2 e
3:
ab, cd e e .
2. La d oi e che chk doi & e concou an e
21
ab, cd e e
xy.
The ollowing cons uc ions de e mine he me hods by which, s a ing wi h
a
con igu a-
ion
o
independen lines, a line dependen on he con igu a ion can be ound,
Cons uc ion
1
(Figu e
2).
1. The poin p and he line 1 o m a plane
opq.
2. The poin p and he line
2
o m a plane s .
3.
The equi ed line is he line o in e sec ion o he planes
opq
and s , ha is: xy.
Find he line h ough he poin
p
which mee s lines 1 and 2.
Cons uc ion
3A1
(Figu e
3).
1. Find h ee a bi a y lines mee ing lines 1,2 and
3,
say ab, cd and e .
2. The equi ed line will
be
concu en wi h ab, cd and
e ,
say xy.
Find a line in he egulus gene a ed by lines 1-2-3.
Figu e
2.
Cons uc ion
I
Figu e
3.
Cons uc ion
3A1
S uc u al Topology
#lo,
1984
47
Cons uc ion
4A1
(Figu e
4).
T ou e la d oi e d pendan e
A
la cong uence 1-2-3-4 (de
ype 4A) pa le poin p.
1.
Pa p ou e une d oi e concou an c aux d oi es 1 e 2: ab (en se se an de
1).
2. Les d oi es 2 e ab o men le plan
opq.
3.
Les
d oi es 3 e 4 pe cen
opq
en c e d.
4.
La
d oi e cd coupe ab en
i.
5.
T ou e deux d oi es concou an es aux d oi es 2,
3
e 4: e e
gh
(en se an de 1).
6.
T ou e pa i la d oi e concou an e
A
e e gh: ij (en se se an de 1).
7.
T ou e deux d oi cs concou an es
d
1,2 e ij: kl e mn (en se se an de 1).
8.
La d oi e che chke es
la
d oi e passan pa p e concou an es aux d oi es kl e mn: xy.
Cons uc ion
4A2
(Figu e
5).
T ou e la d oi e d pendan e
B
la cong uence 1-2-3-4 (de
ype 4A) dans le plan opq.
1.
Les d oi es
1
e
2
pe cen
opq
en
a
e b.
2. Pa un poin quelconque
C
de la d oi e ab ou e une d oi e dkpendan e
A
la
cong uence 1-2-3-4:
cd
(en se se an de 4A1).
3. T ou e deux d oi es concou an es
A
cd,
1
e 2: e e gh (en se se an de 1).
4. Les d oi es e e gh pe cen opq en x e
y.
5.
La d oi e che chk es la d oi e passan pa x e
y:
xy.
Cons uc ion
4A1
(Figu e
4).
Find he line h ough a poin p, in he cong uence gene -
a ed by lines 1, 2, 3,4
(o
ype 4A).
1.
Th ough p, ind a line concu en wi h lines
1
and 2, say ab (using cons uc ion 1).
2. The lines 2 and ab o m a plane opq.
3. The lines
3
and 4 pie ce
opq
a poin s c and d.
4. The line
cd
in e sec s line ab a poin
i.
5.
Find wo lines e
and
gh which mee lines 2, 3 and 4 (using cons uc ion
1).
6.
Th ough poin i, ind he line ij mee ing lines e and gh (using cons uc ion
1).
7.
Find wo lines kl and mn mee ing lines 1, 2 and ij (using cons uc ion 1).
8.
The equi ed line is he line xy h ough p mee ing lines kl and mn.
Cons uc ion
4A2
(Figu e
5).
Find
a
line in he plane opq which is in he cong uence
o
ype 4A gene a ed by lines 1,2, 3, 4.
1. The lines 1 and 2 pie ce
opq
a poin s a and b.
2. Th ough an a bi a y poin con he line ab ind a dependen line in he cong uence 1,2,
3, 4
say
cd
(using cons uc ion 4A1).
3. Find wo lines e and gh mee ing cd, 1, and 2 (using cons uc ion
1).
4. The lines e and gh pie ce he plane opq a x and
y.
5.
The equi ed line is he line xy h ough he poin s
x
and
y.
k
Figu n
5.
Cons uc ion
4A2
48
Topologie
s uc u ale
U
10,
1984
Cons uc ion
4B1
(Figu e
6).
La
d oi e
4
pe ce le gulus
1-2-3
en a e c.
1.
Pa les poin s a e c passen les d oi es ab e
cd
appa enan au Cgulus
1-2-3.
2.
Pa les poin s a e c passen les d oi es ab’ e
cd’
appa enan au Cgulus conjugu deb
3.
Pa le poin a
il
exis e un aisceau de d oi es d pendan es
B
ab e ac qui elie ous
les
poin s de
cd
’
B
a.
4.
Pa le poin c il exis e un aisccau de d oi es d pendan es
B
cd
e ac qui elie ous les
poin s de ab’
A
c.
5.
Ainsi ou es les d oi es concou an es
A
ab’ e cd‘ son dependan es
A
la
cong uence
1-2-3-4
(de ype
4B).
Cons uc ion
4B2
(Figu e
7).
T ou e la d oi e d pendan e
B
la cong uence
1-2-3-4pa
le
poin p. La d oi e che ch e es la d oi e passan pa p e concou an e
B
ab e cd: xy (en se
se an de
1).
Cons uc ion
4B3
(Figu e
8).
T ou e la d oi e d pendan e
B
la cong uence
1-2-3-4 dans
le plan opq. Les d oi es ab e cd pe cen opq en
x
e
y.
La d oi e che chke es la d oi e
passan pa
x
e
y:
xy.
1-2-3.
Cons uc ion
4B1
(Figu e
6).
The line
4
pie ces he egulus 1,
2,3
a a and c.
1.
Th ough he poin s a and c he e pass lines ab and cd belonging o he egulus
1,2,3.
2.
Th ough he poin s a and c he e pass lines ab’ and cd’ belonging o he egulus
conjuga e o
1,
2,
3.
3.
Th ough he poin a he e is a la pencil o lines dependen upon ab and ac which join
he poin s on line
cd’
o a.
4.
Th ough he poin c he e
is
a la pencil o lines dependen upon
cd
and ac which join
he poin s on line ab’ o c.
5.
Thus all he lines mee ing lines
ab’
and
cd’
a e in he cong uence (o ype
4B)
gene a ed
by lines
1,
2, 3.4.
Cons uc ion
4B2
(Figu e
7).
Find he line h ough a poin
p,
in
he cong uence gene -
a ed by lines
1,2,3,4.
The equi ed line is he line
xy
h ough he poin p, mee ing lines ab
and cd (ob ained by cons uc ion
1).
Cons uc ion
4B3
(Figu e
8).
Find he line in he plane opq which is in he cong uence
gene a ed by lines
1,2,3,4.
The lines ab and cd pie ce opq a
x
and
y.
The equi ed line
is
he line
xy
h ough hese poin s
x
and
y.
Figu e
7.
Cons uc ion
4B2
Figu e
6.
Cons uc ion
4B1
S uc u al Topology
#lo,
1984
49
Cons uc ion
4C1
(Figu e
9).
La
d oi e
4
es angen e au kgulus
1-2-3
en
a.
1.
Pa le poin
a
passe la d oi e ab appa enan au kgulus
1-2-3.
2.
Pa le poin a il exis e un aisceau de d oi es dipendan es
B
4
e ab.
3.
La d oi e ab’ appa enan au kgulus conjuguk de
1-2-3
ai pa ie de ce aisceau.
4.
La d oi e ab’ es concou an e
B
ou es
les
d oi es du kgulus
1-2-3.
5.
Ainsi chaque in e sec ion de la d oi e ab’ e des d oi es du kgulus
1-2-3
engend e un
aisceau de d oi es dkpendan es
B
la cong uence
1-2-3-4
(de ype
4C).
Cons uc ion
4C2
(Figu e
10).
T ou e
la
d oi e dbpendan e
B
la
cong uence
1-2-3-4
pa
le poin p.
1. Le poin p e la d oi e
1
o men le plan opq.
2.
T ou e deux d oi es concou an es aux ois d oi es
2,
3
e
4:
ab e
cd
(en se se an
de
1).
3.
Les d oi es ab e cd pe cen le plan opq en e e .
4.
La d oi e e coupe la d oi e
1
en
x.
5.
La d oi e che chke es la d oi e passan pa p e x: xy (en se se an de
1).
Cons uc ion
4C1
(Figu e
9).
The line
4
is angen o he egulus gene a ed by lines
1,2,3
a a.
1.
Th ough he poin a he e passes a line ab belonging o he egulus
1,2, 3.
2.
Th ough he poin
a
he e
is
a la pencil o lines dependen upon lines
4
and ab.
3.
The line ab’ belonging o he egulus conjuga e o
1,2, 3
is in ha la pencil.
4.
The line ab’ mee s all he lines
in
he egulus
1,
2, 3.
5.
Thus whe e e he line ab’ mee s
a
line
o
he egulus
1,2,3
i gene a es a la pencil o
lines which belong o he cong uence (o ype
4C)
gene a ed by lines
1,2,3,4.
Cons uc ion
4C2
(Figu e
10).
Find he line h ough he poin p in he cong uence
gene a ed by lines
1,
2, 3,4.
1.
The poin p and he line
1
o m a plane opq,
2.
Find wo lines ab and cd which mee lines
2, 3,
and
4
(using cons uc ion 1).
3.
The lines ab and cd pie ce he plane opq a e and .
4.
The line e in e sec s he line
1
a x.
5.
The equi ed line is he line xy h ough poin s
p
and x (by cons uc ion
1).
Figu e
9.
Cons uc ion
4CI
Figww
10.
Cons uc ion
4C2
56
Topologie
s uc u ale
#lo,
1984
I
ELEMENTS
POINT
POINT
POINT
DROllE
POINT
CORPS
DROITE
DROITE
DRolTE
CORPS
CORPS
1
CORPS
LIENS
c =
1
ang
1:
ang
2:
C=l
C ='
ang
1:
ang
2:
C
=1
ang
3:
C,5=1
c
=2
ang
1:
ang
2:
c
=1
ang
3:
C?=4
ang
4:
C =1
c
=a
c
=I7
ang
1:
ang
2:C
=1
ang
3:
Ca=m
ang
4:
C
=is
ang
5:
c!=
;
ang
6:C
=
c
=a
CAS
TYPES
NON
RIGIDES
00
0
n
Tableau
4
-
Tlbk
4