3球問題で2つの球を動かす

 過日の3球問題。
即ち、お互いに外接しあう3つの球の回転の仕方で、自由度を増やした。

 原点にある小球以外の2つの球を同時に動かす時、接点の軌跡を描画する。

 前回までは原点に中心のある球r1とz軸上に中心のある球r3を固定していた。その両方に接する球r2をクルリクルリと回すことを考えたのだ。

 この度は球r3(半径r3)を球r1の曲面上でx軸まわりに回転させる。同時に回転させることとした。これはギリギリ解析的に解けるのだ。
 簡単のためにr1=1,r2=2,r3=4としておく。

 一つの例で、球r3の中心の運動をこうしてみよう。

これは球r1上をx軸を中心に転がることを意味する。

 そうすると球r2の中心の座標は下記のように書き出せる。

 x2をφに連動させる。これもシンプルケースとして下式にする。

 さて、φを連続的に変えるとこのような図柄になる。

 その時の球r1上での球r2の接点に注目するのが、ここでの目標だ。
接点はこのような球面上の軌跡を描くことになる。

 それはそうとして、芋虫くんイメージの生成にもなるなあ。