一个关于订书钉的小问题

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问题

把若干枚全等的 U 形订书钉(长方形去掉一条长边:长边 LL,两条短边 ww 垂直于长边并朝同一侧)在同一平面内互相嵌套,首尾相接排成一个闭环,要求:

  1. 周期性:相邻两枚钉的相对位姿处处相同 —— 即存在一个固定的刚体变换 TT,使第 i+1i+1 枚 =T(第 i 枚)=T(\text{第 }i\text{ 枚})。
  2. 闭合:NN 枚之后回到最初的位置与姿态,即 TN=idT^N=\mathrm{id}(排列的角度绕一圈慢慢转回原位)。
  3. 与前后相邻:每枚钉必须与上一枚和下一枚接触。
  4. 互嵌:相邻两枚必须真正嵌合 —— 把一枚的一端塞进另一枚的 U 形开口内部。
  5. 稳固:从外向内握紧(向心压缩)时结构不解体。

问:订书钉规格为 24/6 时,NN 取哪些值可以组成这样的图形?(答案不唯一)

补充

"嵌入"的含义:因为所有钉子全等,不可能把一枚完全套进另一枚里。这里的"嵌入"指 —— 尽量把一枚钉的一端放进另一枚钉的 U 形结构中,另一端必然只能留在外面,看着像是斜着嵌进去。本题的接触模型正是这种单侧斜嵌。

规格取值:24/6 中的 "24" 是线径规格(AWG 24,∅≈0.51 mm\varnothing\approx0.51\ \mathrm{mm}),"6" 是脚高 6 mm6\ \mathrm{mm},整枚钉外宽实测 12.66–12.75 mm。本题按真实规格计算:

L=12.8 (长边/外宽),w=6 (短边/脚),d=0.51 (钢丝直径)L=12.8\ (\text{长边/外宽}),\qquad w=6\ (\text{短边/脚}),\qquad d=0.51\ (\text{钢丝直径})

"稳固"如何量化:条件 5 是物理条件,不能只靠理想线框判定 —— 零厚度的线框里,间隙无论多小都算"不接触"。这里视为:钢丝有直径 dd,两段钢丝中心线间距 ≤d\le d 即视为已经贴上。

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