This excellent solution came from Shu Cao of Oxford High School. Well done Shu!

FlexiQuads Image

A convex quadrilateral Q is made from four rigid rods with flexible joints at the vertices so that the shape of Q can be changed while keeping the lengths of the sides constant.

Let a1 , a2 , a3 and a4 be vectors representing the sides (in this order) so that a1 + a2 + a3 + a4 =0 (the zero vector). Now let d1 and d2 be the vectors representing the diagonals of Q. We may choose these so that d1 = a4 + a1 and d2 = a3 + a4 .

As d1 = a4 + a1 and d2 = a3 + a4 it follows that a1 + a2 =- d2 , a2 + a3 =- d1 .
a2 2 + a4 2 - a1 2 - a3 2 =( a2 2 - a1 2 )+( a4 2 - a3 2 ) =( a2 - a1 )( a2 + a1 )+( a4 - a3 )( a4 + a3 ) =- d2 ( a2 - a1 )+ d2 ( a4 - a3 ) = d2 ( a4 - a3 - a2 + a1 ) = d2 (( a4 + a1 )-( a3 + a2 )) = d2 ( d1 + d1 ) =2 d2 . d1 .

Now a1 + a2 + a3 + a4 =0 implies that a4 =- a1 - a2 - a3 .
a1 · a3 - a2 . a4 = a1 . a3 - a2 (- a1 - a2 - a3 ) = a1 . a3 + a2 . a1 + a2 . a2 + a2 . a3 = a1 ( a2 + a3 )+ a2 ( a2 + a3 ) =( a1 + a2 )( a3 + a2 ) =(- d1 )(- d2 ) = d1 . d2 .

Hence
2( a1 . a3 - a2 . a4 ) =2 d1 . d2 = a2 2 + a4 2 - a1 2 - a3 2 .

If the diagonals of Q are perpendicular in one position of Q, then 2 d1 . d2 = a2 2 + a4 2 - a1 2 - a3 2 =0. As a1 , a2 , a3 , a4 are constant in length a2 2 + a4 2 - a1 2 - a3 2 will always be zero which implies that d1 . d2 =0, so they are perpendicular in all variations of Q.