Спираль
В математике спираль — это кривая , исходящая из точки и удаляющаяся все дальше по мере вращения вокруг этой точки. [1] [2] [3] [4] Это подтип завитковых узоров, обширная группа, включающая также концентрические объекты .
Спирали
[ редактировать ]Два основных определения «спирали» в Словаре американского наследия : [5]
- кривая на плоскости, которая обвивает фиксированную центральную точку на постоянно увеличивающемся или уменьшающемся расстоянии от этой точки.
- трехмерная кривая, которая вращается вокруг оси на постоянном или непрерывно меняющемся расстоянии, двигаясь параллельно оси; спираль .
Первое определение описывает плоскую кривую, простирающуюся в обоих перпендикулярных направлениях внутри своей плоскости; канавка на одной стороне граммофонной пластинки очень похожа на плоскую спираль (и именно из-за конечной ширины и глубины канавки, а не из-за большего расстояния между дорожками, чем внутри, она не может быть идеальным примером); Обратите внимание, что последовательные петли различаются по диаметру. В другом примере «центральные линии» рукавов спиральной галактики прокладывают логарифмические спирали .
Второе определение включает два вида трехмерных родственников спиралей:
- Коническая или спиральная пружина (включая пружину, используемую для удержания и контакта с отрицательными клеммами батарей типа АА или ААА в аккумуляторном ящике ), а также вихрь , который создается при сливе воды в раковине, часто описывается как спираль. или в виде конической спирали .
- Совершенно очевидно, что определение 2 также включает в себя цилиндрическую спиральную пружину и цепь ДНК , оба из которых являются весьма спиральными, так что «спираль» является более полезным описанием, чем «спираль» для каждого из них; вообще, «спираль» применяется редко, если последовательные «петли» кривой имеют одинаковый диаметр. [5]
На рисунке сбоку черная кривая внизу — это спираль Архимеда , а зеленая кривая — спираль. Кривая, показанная красным, представляет собой коническую спираль.
Двумерный
[ редактировать ]Двумерную или плоскую спираль проще всего описать с помощью полярных координат , где радиус является монотонной непрерывной функцией угла :
Круг можно было бы рассматривать как вырожденный случай ( функция не строго монотонна, а скорее постоянна ).
В - -координаты кривая имеет параметрическое представление:
Примеры
[ редактировать ]Некоторые из наиболее важных видов двумерных спиралей включают:
- спираль Архимедова :
- Гиперболическая спираль :
- Спираль Ферма :
- Пляж :
- Логарифмическая спираль :
- Корню Спираль или клотоида
- Спираль Фибоначчи и золотая спираль.
- Спираль Теодора : приближение архимедовой спирали, состоящей из смежных прямоугольных треугольников.
- Развертка круга
- Архимедова спираль
- гиперболическая спираль
- Спираль Ферма
- пляж
- логарифмическая спираль
- Спиральный рог
- спираль Теодора
- Спираль Фибоначчи (золотая спираль)
- Эвольвента круга (черная) не идентична спирали Архимеда (красная).
архимедова спираль . Например, при свертывании ковра образуется [6]
Гиперболическая спираль представляет собой изображение спирали со специальной центральной проекцией (см. схему). Гиперболическую спираль иногда называют обратной спиралью, потому что она представляет собой образ архимедовой спирали с инверсией окружности (см. Ниже). [7]
Название логарифмической спирали связано с уравнением . Приближения к этому встречаются в природе.
Спирали, не вписывающиеся в данную схему первых 5 примеров:
Спираль Корню имеет две асимптотические точки.
Спираль Теодора представляет собой многоугольник.
Спираль Фибоначчи состоит из последовательности дуг окружностей.
Эвольвента круга выглядит как архимедова, но это не так: см. Эвольвента#Примеры .
Геометрические свойства
[ редактировать ]Следующие соображения касаются спиралей, которые можно описать полярным уравнением , особенно для случаев (Архимедова, гиперболическая, спирали Ферма, литууса) и логарифмическая спираль. .
- Угол полярного наклона
Угол между касательной спирали и соответствующим полярным кругом (см. схему) называется углом полярного наклона, а полярный склон .
Из векторного исчисления в полярных координатах получается формула
Отсюда и наклон спирали является
В случае архимедовой спирали ( ) полярный наклон
По логарифмической спирали , является постоянным.
- Кривизна
Кривизна кривой с полярным уравнением является
Для спирали с каждый получает
В случае (Архимедова спираль) .
Только для спираль имеет точку перегиба .
Кривизна логарифмической спирали является
- Площадь сектора
Площадь сектора кривой (см. схему) с полярным уравнением является
Для спирали с уравнением каждый получает
Формула логарифмической спирали является
- Длина дуги
Длина дуги кривой с полярным уравнением является
Для спирали длина
Не все эти интегралы можно решить с помощью подходящей таблицы. В случае спирали Ферма интеграл может быть выражен только эллиптическими интегралами .
Длина дуги логарифмической спирали является
- Инверсия круга
Инверсия на единичной окружности имеет в полярных координатах простое описание: .
- Изображение спирали при инверсии на единичной окружности получается спираль с полярным уравнением . Например: обратная архимедова спираль – это гиперболическая спираль.
- Логарифмическая спираль отображается на логарифмической спирали
Ограниченные спирали
[ редактировать ]Функция спирали обычно строго монотонная, непрерывнаяи неограничен . Для стандартных спиралей является либо степенной функцией, либо показательной функцией. Если человек выбирает для функция ограниченная , спираль тоже ограничена. Подходящей ограниченной функцией является функция arctan :
- Пример 1
Параметр и выбор дает спираль, которая начинается в начале координат (как спираль Архимеда) и приближается к окружности с радиусом (схема слева).
- Пример 2
Для и получается спираль, которая приближается к началу координат (как гиперболическая спираль) и приближается к кругу с радиусом (схема справа).
Трехмерный
[ редактировать ]Две хорошо известные спиральные пространственные кривые — это конические спирали и сферические спирали , определенные ниже.Другим примером космических спиралей является тороидальная спираль . [8] Спираль, навитая на спираль, [9] также известная как двойная скрученная спираль , [10] представляет такие объекты, как спиральные нити .
Конические спирали
[ редактировать ]Если в - -плоскость спирали с параметрическим представлением
задана, то можно добавить третью координату , такая, что кривая теперь-пространства лежит на конусе с уравнением :
Спирали, основанные на этой процедуре, называются коническими спиралями .
- Пример
Начнем с архимедовой спирали. получается коническая спираль (см. схему)
Сферические спирали
[ редактировать ]можно использовать любую цилиндрическую картографическую проекцию В качестве основы сферической спирали : проведите на карте прямую линию и найдите ее обратную проекцию на сферу, своего рода сферическую кривую .
Одним из основных семейств сферических спиралей являются кривые Клелия , которые проецируются в прямые линии на равнопромежуточной проекции . Это кривые, для которых долгота и широта находятся в линейной зависимости, аналогично спиралям Архимеда на плоскости; под азимутальной эквидистантной проекцией кривая Клелия проектируется в плоскую спираль Архимеда.
Если представить единичную сферу сферическими координатами
затем установим линейную зависимость для угловых координат дает параметрическую кривую по параметру , [11]
- Клелия кривые
- Локсодром
Другое семейство сферических спиралей — это линии румба или локсодромы, которые проецируются в прямые линии в проекции Меркатора . Это траектории, прочерченные кораблем, движущимся с постоянным пеленгом . Любой локсодром (за исключением меридианов и параллелей) бесконечно вращается вокруг любого полюса, с каждым разом все ближе и ближе, в отличие от кривой Клелии, которая сохраняет одинаковое расстояние в широте. В стереографической проекции локсодром проецируется на логарифмическую спираль на плоскости.
На природе
[ редактировать ]Изучение спиралей в природе имеет давнюю историю. Кристофер Рен заметил, что многие оболочки образуют логарифмическую спираль ; Ян Сваммердам наблюдал общие математические характеристики широкого спектра раковин от Helix до Spirula ; и Генри Ноттидж Мозли описали математику одностворчатых раковин. В книге Д'Арси Вентворта Томпсона « О росте и форме» эти спирали подробно рассматриваются. Он описывает, как образуются оболочки путем вращения замкнутой кривой вокруг фиксированной оси: форма кривой остается фиксированной, но ее размер растет в геометрической прогрессии . В некоторых раковинах, таких как Наутилус и аммониты , образующая кривая вращается в плоскости, перпендикулярной оси, и раковина образует плоскую дискоидную форму. В других случаях он следует по косой траектории, образуя спиральный узор. Томпсон также изучал спирали, возникающие в рогах , зубах , когтях и растениях . [12]
Модель для выкройки цветочков в головке подсолнуха . [13] был предложен Х. Фогелем. Это имеет форму
где n — порядковый номер цветочка, а c — постоянный масштабный коэффициент и является формой спирали Ферма . Угол 137,5° — это золотой угол , который связан с золотым сечением и обеспечивает плотное расположение соцветий. [14]
Спирали у растений и животных часто называют мутовками . Это также название отпечатков пальцев спиралевидной формы .
- Художественное изображение спиральной галактики.
- Головка подсолнуха с соцветиями, расположенными по спирали по 34 и 55 штук снаружи.
Как символ
[ редактировать ]Спиралевидная форма была найдена в Мезине , Украина , как часть декоративного предмета, датируемого 10 000 годом до нашей эры. [ нужна ссылка ] Спиральные и тройные спиральные мотивы служили неолитическими символами в Европе ( мегалитические храмы Мальты ). Кельтская тройная спираль на самом деле является докельтским символом. [15] Он высечен в скале на каменном ромбе возле главного входа в доисторический памятник Ньюгрейндж в графстве Мит , Ирландия . Ньюгрейндж был построен около 3200 г. до н.э., еще до кельтов; тройные спирали были вырезаны по крайней мере за 2500 лет до того, как кельты достигли Ирландии, но уже давно стали частью кельтской культуры. [16] Символ трискелион трех согнутых человеческих ног, появляется во многих ранних культурах: примеры включают микенские сосуды, чеканку из Ликии , статеры Памфилии , состоящий из трех переплетенных спиралей или (в Аспендосе , 370–333 гг. до н.э.) и Писидии , а также геральдические эмблема на воинских щитах, изображенная на греческой керамике. [17]
Спирали часто встречаются в доколумбовом искусстве Латинской и Центральной Америки. Более 1400 петроглифов (наскальных рисунков) в Лас-Пласуэласе , Гуанахуато, Мексика , датируемых 750-1200 годами нашей эры, преимущественно изображают спирали, точечные фигуры и масштабные модели. [18] В Колумбии фигуры обезьян, лягушек и ящериц, изображенные на петроглифах или в виде золотых фигурок подношения, часто включают спирали, например, на ладонях рук. [19] В Нижней Центральной Америке спирали наряду с кругами, волнистыми линиями, крестами и точками являются универсальными символами петроглифов. [20] Спирали также появляются среди линий Наска в прибрежной пустыне Перу и датируются периодом с 200 г. до н.э. по 500 г. н.э. Геоглифы . исчисляются тысячами и изображают животных, растения и геометрические мотивы, включая спирали [21]
Спиральные формы, в том числе свастика , трискеле и т. д., часто интерпретировались как солярные символы . [ нужна ссылка ] Черепица с этим символом времен династии Тан была найдена к западу от древнего города Чанъань (современный Сиань). [ нужна ссылка ] [ нужен год ]
Спирали также являются символом гипноза , происходящим из клише о людях и персонажах мультфильмов, которых гипнотизируют, глядя на вращающуюся спираль (одним из примеров является Каа Диснея в «Книге джунглей» ). Они также используются как символ головокружения , когда глаза персонажей мультфильмов, особенно в аниме и манге , превращаются в спирали, что указывает на головокружение или ошеломление. Спираль также встречается в структурах размером с спираль ДНК двойную и размером с галактику . Из-за этого частого природного явления спираль является официальным символом Всемирного пантеистического движения . [22] Спираль также является символом диалектического процесса и диалектического монизма .
Спираль является частым символом духовного очищения как внутри христианства , так и за его пределами (спираль воспринимается как неоплатонистский символ молитвы и созерцания, вращающийся вокруг предмета и одновременно восходящий, а также как буддийский символ для постепенный процесс на Пути к Просветлению ). [...] хотя спираль повторяется, спираль расширяется и, таким образом, олицетворяет рост - концептуально до бесконечности . [23]
- Спирали культуры Кукутени на чаше на подставке, сосуде на подставке и амфоре, 4300-4000 гг. до н.э., керамика, Дворец культуры , Яссы , Румыния.
- Неолитические спирали на входной плите Ньюгрейнджа , неизвестный скульптор или архитектор, 3-е тысячелетие до нашей эры.
- Микенские спирали на погребальной стеле, Могильный круг А, ок. 1550 г. до н.э., камень, Национальный археологический музей , Афины , Греция.
- Мероитовые спирали на таране аллеи храма Амона в Наке , неизвестный скульптор, I век нашей эры, камень, in situ
- Исламский спиральный дизайн Великой мечети Самарры , Самарра , Ирак , неизвестный архитектор, ок. 851
- стиле готического возрождения Спиральная колокольня в Maison des Compagnons du Tour de France, Нант , неизвестный архитектор, ок. 1910 год
В искусстве
[ редактировать ]Спираль вдохновляла художников на протяжении веков. Среди самых известных произведений искусства, вдохновленных спиралью, — Роберта Смитсона « земляные работы Спиральная пристань » на Большом Соленом озере в штате Юта. [24] Спиральная тема также присутствует в «Спиральном резонансном поле» Дэвида Вуда в Музее воздушных шаров в Альбукерке, а также в получившем признание критиков Nine Inch Nails концептуальном альбоме 1994 года The Downward Spiral . Спираль также является важной темой в аниме «Гуррен Лаганн» , где она представляет собой философию и образ жизни. Это также занимает центральное место в творчестве Марио Мерца и Энди Голдсуорси. Спираль — центральная тема хоррор-манги « Узумаки » Дзюндзи Ито , в которой небольшой прибрежный городок поражен проклятием, связанным с спиралями. 2012 «Часть разума», Уэйн А. Бил также изображает большую спираль в этой книге снов и образов. [25] [ нужна полная цитата ] [26] [ нужна проверка ] Спиральная спираль является центральным изображением в иконографии пригородной готики австралийской художницы Тани Старк , которая включает в себя спиральные элементы верхней части электрической плиты как символы домашней алхимии и духовности. [27] [28]
См. также
[ редактировать ]- Кельтский лабиринт (прямая спираль)
- Концентрические круги
- ДНК
- Число Фибоначчи
- Гипогей Сафлиени
- Мегалитические храмы Мальты
- Узоры в природе
- Поверхность ракушки
- Спирангл
- Спиральная овощерезка
- Винтовая лестница
- Трискелион
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Спираль | математика» . Британская энциклопедия . Проверено 8 октября 2020 г.
- ^ «Определение спирали (Иллюстрированный математический словарь)» . www.mathsisfun.com . Проверено 8 октября 2020 г.
- ^ "спираль.htm" . www.math.tamu.edu . Проверено 8 октября 2020 г.
- ^ «Математические закономерности в природе» . Институт Франклина . 01.06.2017 . Проверено 8 октября 2020 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б « Спираль » , Словарь английского языка «Американское наследие» , Houghton Mifflin Company, четвертое издание, 2009 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Архимедова спираль» . mathworld.wolfram.com . Проверено 8 октября 2020 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Гиперболическая спираль» . mathworld.wolfram.com . Проверено 8 октября 2020 г.
- ^ фон Зеггерн, DH (1994). Практическое руководство по проектированию и построению кривых . Тейлор и Фрэнсис. п. 241. ИСБН 978-0-8493-8916-0 . Проверено 3 марта 2022 г.
- ^ «Слинки — из Wolfram MathWorld» . Вольфрам Математический мир . 13 сентября 2002 г. Проверено 3 марта 2022 г.
- ^ Угаджин Р.; Ишимото, К.; Куроки, Ю.; Хирата, С.; Ватанабэ, С. (2001). «Статистический анализ многозакрученной спирали». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 292 (1–4). Эльзевир Б.В.: 437–451. Бибкод : 2001PhyA..292..437U . дои : 10.1016/s0378-4371(00)00572-0 . ISSN 0378-4371 .
- ^ Куно Фладт: Аналитическая геометрия специальных поверхностей и пространственных кривых , Springer-Verlag, 2013, ISBN 3322853659 , 9783322853653, С. 132
- ^ Томпсон, Д'Арси (1942) [1917]. О росте и форме . Кембридж: Университетское издательство; Нью-Йорк: Макмиллан. стр. 748–933.
- ^ Бен Спаркс. «Геогебра: подсолнухи иррационально красивы» .
- ^ Прусинкевич, Пшемыслав ; Линденмайер, Аристид (1990). Алгоритмическая красота растений . Спрингер-Верлаг. стр. 101–107 . ISBN 978-0-387-97297-8 .
- ^ Энтони Мерфи и Ричард Мур, Остров заходящего солнца: в поисках древних астрономов Ирландии, 2-е изд., Дублин: The Liffey Press, 2008, стр. 168-169.
- ^ «Ньюгрейндж, Ирландия — Мегалитическая гробница прохода — объект Всемирного наследия» . Знать.com. 21 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 26 июля 2013 г. Проверено 16 августа 2013 г.
- ^ Например, трислеле на круглом щите Ахилла на аттической гидрии конца шестого века в Бостонском музее изящных искусств , проиллюстрировано в книге Джона Бордмана, Джаспера Гриффина и Освина Мюррея, Греция и эллинистический мир (Оксфордская история классического мира). ) об. Я (1988), с. 50.
- ^ «Рок-искусство Латинской Америки и Карибского бассейна» (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 5. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 г. Проверено 4 января 2014 г.
- ^ «Рок-искусство Латинской Америки и Карибского бассейна» (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 99. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 года . Проверено 4 января 2014 г.
- ^ «Рок-искусство Латинской Америки и Карибского бассейна» (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 17. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 года . Проверено 4 января 2014 г.
- ^ Джарус, Оуэн (14 августа 2012 г.). «Линии Наска: загадочные геоглифы в Перу» . ЖиваяНаука. Архивировано из оригинала 4 января 2014 года . Проверено 4 января 2014 г.
- ^ Харрисон, Пол. «Пантеистическое искусство» (PDF) . Мировое пантеистическое движение . Проверено 7 июня 2012 г.
- ^ Брюн, Зиглинд (1997). «Обмен природ и природа времени и тишины». Образы и идеи в современной французской фортепианной музыке: внемузыкальный подтекст в фортепианных произведениях Равеля, Дебюсси и Мессиана . Эстетика в музыке, ISSN 1062-404X, номер 6. Стуйвесант, Нью-Йорк: Pendragon Press. п. 353 . Проверено 30 июня 2024 г.
- ^ Израиль, Нико (2015). Спирали: закрученный образ в литературе и искусстве двадцатого века . Издательство Нью-Йоркского Колумбийского университета. стр. 161–186. ISBN 978-0-231-15302-7 .
- ^ 2012 Часть разума Уэйна Била
- ^ http://www.blurb.com/distribution?id=573100/#/project/573100/project-details/edit (требуется подписка)
- ^ Старк, Таня (4 июля 2012 г.). «Спиральные путешествия: поворот и возвращение» . tanjastark.com .
- ^ Старк, Таня. «Лекция: Спиралевидные подводные течения: архетипические символы боли, надежды и исцеления» . Общество Юнга в Мельбурне .
Похожие публикации
[ редактировать ]- Кук Т., 1903. Спирали в природе и искусстве . Природа 68 (1761), 296.
- Кук Т., 1979. Кривые жизни . Дувр, Нью-Йорк.
- Хабиб З., Сакаи М., 2005. Спиральные кривые перехода и их приложения . Японские математические науки 61 (2), 195 – 206.
- Димульо, Сарпоно; Хабиб, Зульфикар; Сакаи, Манабу (2009). «Честный кубический переход между двумя кругами, один из которых находится внутри или касается другого». Численные алгоритмы . 51 (4): 461–476. Бибкод : 2009NuAlg..51..461D . дои : 10.1007/s11075-008-9252-1 . S2CID 22532724 .
- Харари Г., Таль А., 2011. Естественная трехмерная спираль . Форум компьютерной графики 30 (2), 237–246 [1]. Архивировано 22 ноября 2015 г. на Wayback Machine .
- Сюй Л., Молд Д., 2009. Магнитные кривые: эстетические кривые, контролируемые кривизной с использованием магнитных полей . В: Деуссен О., Холл П. (ред.), Вычислительная эстетика в графике, визуализации и визуализации. Ассоциация еврографики [2] .
- Ван, Юлин; Чжао, Бинъянь; Чжан, Лузоу; Сюй, Цзячуань; Ван, Канчан; Ван, Шучунь (2004). «Проектирование плавных кривых с использованием частей монотонной кривизны». Компьютерное геометрическое проектирование . 21 (5): 515–527. дои : 10.1016/j.cagd.2004.04.001 .
- Курносенко, А. (2010). «Применение инверсии для построения плоских рациональных спиралей, удовлетворяющих двухточечным данным Эрмита G2». Компьютерное геометрическое проектирование . 27 (3): 262–280. arXiv : 0902.4834 . дои : 10.1016/j.cagd.2009.12.004 . S2CID 14476206 .
- А. Курносенко. Двухточечная интерполяция G2 Эрмита со спиралями путем обращения гиперболы . Компьютерное геометрическое проектирование, 27 (6), 474–481, 2010.
- Миура, К.Т., 2006. Общее уравнение эстетических кривых и его самосродство . Компьютерное проектирование и приложения 3 (1–4), 457–464 [3]. Архивировано 28 июня 2013 г. в Wayback Machine .
- Миура К., Соне Дж., Ямасита А., Канеко Т., 2005. Вывод общей формулы эстетических кривых . В: 8-я Международная конференция по людям и компьютерам (HC2005). Айдзу-Вакамутсу, Япония, стр. 166–171 [4]. Архивировано 28 июня 2013 г. в Wayback Machine .
- Мик, Д.С.; Уолтон, диджей (1989). «Применение спиралей Корню для рисования плоских кривых контролируемой кривизны» . Журнал вычислительной и прикладной математики . 25 : 69–78. дои : 10.1016/0377-0427(89)90076-9 .
- Томас, Сунил (2017). «Сульфат калия при растворении в растворе образует спиральную структуру». Российский журнал физической химии Б . 11 (1): 195–198. Бибкод : 2017RJPCB..11..195T . дои : 10.1134/S1990793117010328 . S2CID 99162341 .
- Фарин, Джеральд (2006). «Класс кривых Безье». Компьютерное геометрическое проектирование . 23 (7): 573–581. дои : 10.1016/j.cagd.2006.03.004 .
- Фаруки, RT, 1997. Кривые перехода пятой степени пифагора-годографа монотонной кривизны . Компьютерное проектирование 29 (9), 601–606.
- Ёсида Н., Сайто Т., 2006. Интерактивные сегменты эстетических кривых . The Visual Computer 22 (9), 896–905 [5]. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine .
- Йошида Н., Сайто Т., 2007. Квазиэстетические кривые в рациональных кубических формах Безье . Компьютерное проектирование и приложения 4 (9–10), 477–486 [6]. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine .
- Зиатдинов Р., Йошида Н., Ким Т., 2012. Аналитические параметрические уравнения логарифмических кривых в терминах неполных гамма-функций . Компьютерное геометрическое проектирование 29 (2), 129–140 [7] .
- Зиатдинов Р., Йошида Н., Ким Т., 2012. Подбор многоспиральной переходной кривой G2, соединяющей две прямые линии , Компьютерное проектирование 44(6), 591–596 [8] .
- Зиатдинов Р., 2012. Семейство суперспиралей с полностью монотонной кривизной, заданное через гипергеометрическую функцию Гаусса . Компьютерное геометрическое проектирование 29(7): 510–518, 2012 [9] .
- Зиатдинов Р., Миура К.Т., 2012. О разнообразии плоских спиралей и их применении в системах автоматизированного проектирования . Европейский исследователь 27(8–2), 1227–1232 [10] .