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The Rigidity of Compound Spatial Grids

Dandurand, Alain

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