Jump to content

циклоида

(Перенаправлено с Cycloidal )
Циклоида, порожденная катящимся кругом

В геометрии циклоида кривая — это , очерченная точкой окружности , катящейся по прямой без скольжения. Циклоида — это особая форма трохоиды и пример рулетки , кривой, образованной кривой, катящейся по другой кривой.

Циклоида с вершинами , направленными вверх, представляет собой кривую наискорейшего спуска в условиях равномерной силы тяжести ( кривая брахистохроны ). Это также форма кривой, для которой период объекта простого гармонического движения (повторяющегося перекатывания вверх и вниз) по кривой не зависит от начального положения объекта ( кривая таутохрона ). В физике, когда покоящаяся заряженная частица находится в однородном электрическом и магнитном поле, перпендикулярном друг другу, траектория частицы образует циклоиду.

Шары катятся под действием равномерной силы тяжести без трения по циклоиде (черный) и прямым линиям с различными уклонами. Он демонстрирует, что мяч на кривой всегда превосходит шары, движущиеся по прямой линии до точки пересечения кривой и каждой прямой линии.

Именно в левой пробке «Пекода», когда вокруг меня усердно кружился мыльный камень, я впервые косвенно поразился тому замечательному факту, что в геометрии все тела, скользящие по циклоиде, мой мыльный камень, например, будет спускаться с любой момент точно в одно и то же время.

«Моби Дик» , Герман Мелвилл , 1851 г.

Циклоиду называли «Еленой геометров», поскольку, как и Елена Троянская , она вызывала частые ссоры среди математиков 17-го века, в то время как Сара Харт считает, что она названа так «потому что свойства этой кривой настолько прекрасны». [1] [2]

Историки математики предложили несколько кандидатов на роль первооткрывателя циклоиды. Историк-математик Пол Таннери предположил, что такая простая кривая, должно быть, была известна древним , ссылаясь на аналогичную работу Карпа Антиохийского, описанную Ямвлихом . [3] Английский математик Джон Уоллис в 1679 году приписал это открытие Николаю Кузанскому . [4] но последующие исследования показывают, что либо Уоллис ошибался, либо доказательства, которые он использовал, теперь утеряны. [5] Имя Галилео Галилея было выдвинуто в конце XIX века. [6] и по крайней мере один автор сообщает, что заслуга принадлежит Марину Мерсенну . [7] Начиная с творчества Морица Кантора [8] и Зигмунд Гюнтер , [9] ученые теперь отдают приоритет французскому математику Шарлю де Бовелю [10] [11] [12] на основе его описания циклоиды в его «Введении в геометрию» , опубликованном в 1503 году. [13] В этой работе Бовель ошибочно принимает арку, очерченную катящимся колесом, за часть большего круга с радиусом на 120% больше, чем у меньшего колеса. [5]

Галилей ввел термин циклоида и был первым, кто серьезно изучил кривую. [5] По словам его ученицы Евангелисты Торричелли , [14] в 1599 году Галилей предпринял попытку квадратуры циклоиды (определение площади под циклоидой) с помощью необычного эмпирического подхода, который включал в себя отслеживание образующей окружности и полученной циклоиды на листовом металле, вырезание их и взвешивание. Он обнаружил, что соотношение составляет примерно 3:1, что является истинным значением, но он ошибочно пришел к выводу, что соотношение представляет собой иррациональную дробь, что сделало бы квадратуру невозможной. [7] Примерно в 1628 году Жиль Персон де Роберваль, вероятно, узнал о квадратурной задаче от отца Марина Мерсенна и выполнил квадратуру в 1634 году, используя теорему Кавальери . [5] Однако эта работа не была опубликована до 1693 года (в его «Трактате о неделимых» ). [15]

Построение касательной циклоиды датируется августом 1638 года, когда Мерсенн получил уникальные методы от Роберваля, Пьера де Ферма и Рене Декарта . Мерсенн передал эти результаты Галилею, который передал их своим ученикам Торричелли и Вивиани, которые смогли построить квадратуру. Этот и другие результаты были опубликованы Торричелли в 1644 г. [14] это также первая печатная работа по циклоиде. Это привело к тому, что Роберваль обвинил Торричелли в плагиате, но спор был прерван ранней смертью Торричелли в 1647 году. [15]

В 1658 году Блез Паскаль отказался от математики в пользу богословия, но, страдая от зубной боли, начал рассматривать несколько задач, касающихся циклоиды. Его зубная боль исчезла, и он воспринял это как небесный знак, чтобы продолжить свои исследования. Восемь дней спустя он закончил свое эссе и, чтобы опубликовать результаты, предложил конкурс. Паскаль предложил три вопроса, касающихся центра тяжести , площади и объема циклоиды, победитель или победители получили призы в размере 20 и 40 испанских дублонов . Судьями были Паскаль, Роберваль и сенатор Каркави, и ни одно из двух представлений ( Джона Уоллиса и Антуана де Лалувера ) не было признано адекватным. [16] : 198  Пока соревнование продолжалось, Кристофер Рен отправил Паскалю предложение доказать выпрямление циклоиды ; Роберваль тут же заявил, что знал об этом доказательстве уже много лет. Уоллис опубликовал доказательство Рена (с указанием Рена) в «Трактате Дуэта» Уоллиса , отдав Рену приоритет для первого опубликованного доказательства. [15]

Пятнадцать лет спустя Христиан Гюйгенс применил циклоидальный маятник для улучшения хронометров и обнаружил, что частица может пройти сегмент перевернутой циклоидальной арки за то же время, независимо от ее начальной точки. В 1686 году Готфрид Вильгельм Лейбниц использовал аналитическую геометрию, чтобы описать кривую одним уравнением. В 1696 году Иоганн Бернулли поставил задачу о брахистохроне , решением которой является циклоида. [15]

Уравнения

[ редактировать ]

Циклоида, проходящая через начало координат, образованная кругом радиуса r, катящимся по x оси с положительной стороны ( y ≥ 0 ), состоит из точек ( x , y ) с где t — действительный параметр, соответствующий углу, на который повернулась катящаяся окружность. Для данного t центр круга лежит в ( x , y ) = ( rt , r ) .

Декартово уравнение получается путем решения y -уравнения для t и подстановки в x - уравнение: или, исключив многозначный обратный косинус:

Когда y рассматривается как функция от x , циклоида дифференцируема везде, кроме точек возврата на оси x , при этом производная стремится к или возле острия. Отображение t в ( x , y ) дифференцируемо, фактически класса C , с производной 0 в точках возврата.

Наклон касательной к циклоиде в точке дается .

Отрезок циклоиды от одного возврата к другому называется дугой циклоиды, например точки с и .

Рассматривая циклоиду как график функции , он удовлетворяет дифференциальному уравнению : [17]

Эвольвента

[ редактировать ]
Создание эвольвенты циклоиды, разворачивающей натянутую проволоку, расположенную на полудуге циклоиды (отмечено красным)

Эвольвента как циклоиды имеет точно такую ​​же форму, и циклоида, из которой она возникла. Это можно представить как путь, прослеживаемый кончиком проволоки, первоначально лежащей на половине дуги циклоиды: по мере того, как она разворачивается, оставаясь касательной к исходной циклоиде, она описывает новую циклоиду (см. также циклоидальный маятник и длину дуги ).

Демонстрация

[ редактировать ]
Демонстрация свойств эвольвенты циклоиды.

В этой демонстрации используется определение циклоиды в виде катящегося колеса, а также вектор мгновенной скорости движущейся точки, касательный к ее траектории. На соседней картинке и Это две точки, принадлежащие двум катящимся кругам, причем основание первой находится чуть выше вершины второй. Изначально, и совпадают в точке пересечения двух окружностей. Если круги катятся горизонтально с одинаковой скоростью, и пересечь две циклоиды. Учитывая красную линию, соединяющую и в данный момент можно доказать, что линия всегда касается нижней дуги в точке и ортогонально верхней дуге в точке . Позволять быть точкой соприкосновения между верхним и нижним кругами в данный момент времени. Затем:

  • коллинеарны: действительно, равная скорость качения дает равные углы. , и таким образом . Суть лежит на линии поэтому и аналогично . Из равенства и у одного это тоже есть . Отсюда следует .
  • Если является точкой встречи перпендикуляра из к отрезку прямой и касательная к окружности в точке , то треугольник является равнобедренным, как легко видеть из построения: и . Для предыдущего отмеченного равенства между и затем и является равнобедренным.
  • Рисунок из ортогональный отрезок , от прямая, касательная к верхнему кругу, и вызывающая место встречи, это видно является ромбом по теоремам об углах между параллельными прямыми
  • Теперь рассмотрим скорость из . Ее можно рассматривать как сумму двух компонентов: скорости качения. и скорость дрейфа , которые равны по модулю, поскольку круги катятся без заноса. параллельно , пока касается нижней окружности в точке и, следовательно, параллелен . Ромб составлен из составляющих и поэтому подобен (те же углы) ромбу потому что у них параллельные стороны. Затем , полная скорость , параллельно потому что обе являются диагоналями двух ромбов с параллельными сторонами и имеют общее с контактная точка . Таким образом, вектор скорости заключается в продлении . Потому что касается циклоиды в точке , отсюда следует, что также совпадает с касательной к нижней циклоиде в точке .
  • Аналогично можно легко продемонстрировать, что ортогонален (другая диагональ ромба).
  • Это доказывает, что кончик проволоки первоначально был натянут на полудугу нижней циклоиды и прикреплен к верхнему кругу на уровне будет следовать за точкой вдоль ее пути, не меняя ее длины , поскольку скорость наконечника в каждый момент ортогональна проволоке (без растяжения или сжатия). В то же время провод будет касаться точки к нижней дуге из-за напряжения и фактов, продемонстрированных выше. (Если бы она не была касательной, то в точке был бы разрыв. и, следовательно, несбалансированные силы напряжения.)

Используя приведенную выше параметризацию , площадь под одной аркой, дается:

Это в три раза больше площади катящегося круга.

Длина дуги

[ редактировать ]
Длина циклоиды как следствие свойства ее эвольвенты

Длина дуги S одной арки определяется выражением

Другой геометрический способ расчета длины циклоиды состоит в том, чтобы заметить, что когда проволока, описывающая эвольвенту, полностью развернута из половины арки, она вытягивается вдоль двух диаметров, на длину 4 р . Таким образом, это равно половине длины арки, а длина полной арки — 8 р .

Циклоидальный маятник

[ редактировать ]
Схема циклоидального маятника.

Если простой маятник подвешен к вершине перевернутой циклоиды так, что струна касается одной из ее дуг, а длина маятника L равна половине длины дуги циклоиды (т. е. в два раза диаметр образующей окружности L = 4r ), качание маятника также движется по циклоиде. Такой маятник является изохронным , с равновременными колебаниями независимо от амплитуды. Если ввести систему координат с центром в положении точки возврата, уравнение движения будет иметь вид: где - это угол, который прямая часть струны образует с вертикальной осью, и определяется выражением где А < 1 — «амплитуда», — радианная частота маятника, а g — ускорение свободного падения.

Пять изохронных циклоидальных маятников с разными амплитудами.

Голландский математик 17-го века Христиан Гюйгенс открыл и доказал эти свойства циклоиды, когда искал более точные конструкции маятниковых часов для использования в навигации . [18]

[ редактировать ]

Несколько кривых связаны с циклоидой.

  • Трохоида : обобщение циклоиды, в которой точка, описывающая кривую, может находиться внутри катящегося круга (курчатая) или снаружи (вытянутая).
  • Гипоциклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится внутри другого круга, а не по прямой.
  • Эпициклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится по внешней стороне другого круга, а не по прямой.
  • Гипотрохоида : обобщение гипоциклоиды, при котором образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.
  • Эпитрохоида : обобщение эпициклоиды, при котором образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.

Все эти кривые представляют собой рулетку с кругом, прокатанным по другой кривой равномерной кривизны . Циклоида, эпициклоида и гипоциклоида обладают тем свойством, что каждая из них подобна своей эволюте . Если q является произведением этой кривизны на радиус круга, со знаком положительным для эпи- и отрицательным для гипо-, то коэффициент подобия кривой для эволюции равен 1 + 2 q .

Классическая игрушка Спирограф отслеживает кривые гипотрохоиды и эпитрохоиды .

Другое использование

[ редактировать ]
Циклоидные арки в Художественном музее Кимбелла

Циклоидальная арка была использована архитектором Луи Каном в его проекте Художественного музея Кимбелла в Форт-Уэрте, штат Техас . Его также использовал Уоллес К. Харрисон при проектировании Центра Хопкинса в Дартмутском колледже в Ганновере, Нью-Гэмпшир . [19]

Ранние исследования показали, что некоторые поперечные дугообразные кривые пластинок скрипок золотого века близко моделируются курчатыми циклоидными кривыми. [20] Более поздние работы показывают, что курчатые циклоиды не служат общей моделью для этих кривых. [21] которые существенно различаются.


См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Каджори, Флориан (1999). История математики . Нью-Йорк: Челси. п. 177. ИСБН  978-0-8218-2102-2 .
  2. ^ Харт, Сара (7 апреля 2023 г.). «Удивительные связи между математикой и литературой» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 7 апреля 2023 г.
  3. ^ Таннери, Пол (1883), «К истории изогнутых линий и поверхностей в древности» , Смеси, Бюллетень математических и астрономических наук , сер. 2, 7 : 278–291, с. 284: Прежде чем оставить цитату из Ямвлиха, добавлю, что в двойной кривой движения Карпоса трудно не узнать циклоиду, простое зарождение которой не должно было ускользнуть от древних. [Прежде чем оставить цитату Ямвлиха, добавлю, что в кривой двойного движения Карпа ) . трудно не узнать циклоиду, столь простое зарождение которой не могло ускользнуть от древних.] (цитата по Whitman 1943 );
  4. ^ Уоллис, Д. (1695). «Отрывок из письма доктора Уоллиса от 4 мая 1697 года о циклоиде, известной кардиналу Кузанскому около 1450 года; и Каролу Бовиллусу около 1500 года» . Философские труды Лондонского королевского общества . 19 (215–235): 561–566. дои : 10.1098/rstl.1695.0098 . (Цитируется по Гюнтеру, стр. 5)
  5. ^ Перейти обратно: а б с д Уитмен, Э.А. (май 1943 г.), «Некоторые исторические заметки о циклоиде», The American Mathematical Monthly , 50 (5): 309–315, doi : 10.2307/2302830 , JSTOR   2302830 (требуется подписка)
  6. ^ Каджори, Флориан (1999), История математики (5-е изд.), Стр. 162, ИСБН  0-8218-2102-4 (Примечание: в первом (1893 г.) издании и его переизданиях утверждается, что Галилей изобрел циклоиду. По словам Филлипса, это было исправлено во втором (1919 г.) издании и сохранилось до самого последнего (пятого) издания.)
  7. ^ Перейти обратно: а б Ройдт, Том (2011). Циклоиды и пути (PDF) (MS). Портлендский государственный университет. п. 4. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  8. ^ Кантор, Мориц (1892), Лекции по истории математики, Том 2 , Лейпциг: Б. Г. Тойбнер, OCLC   25376971.
  9. ^ Гюнтер, Зигмунд (1876), Разные исследования по истории математических наук , Лейпциг: печать и публикация Б. Г. Тойбнера, стр. 352, OCLC   2060559
  10. ^ Филлипс, JP (май 1967 г.), «Брахистохрона, Таутохрона, Циклоида — яблоко раздора», Учитель математики , 60 (5): 506–508, doi : 10.5951/MT.60.5.0506 , JSTOR   27957609 (требуется подписка)
  11. ^ Виктор, Джозеф М. (1978), Шарль де Бовель, 1479–1553: интеллектуальная биография , с. 42, ISBN  978-2-600-03073-1
  12. ^ Мартин, Дж. (2010). «Елена геометрии». Математический журнал колледжа . 41 : 17–28. дои : 10.4169/074683410X475083 . S2CID   55099463 .
  13. ^ де Буэль, Шарль (1503), Введение в геометрию ... Книга о квадратуре круга. Книга о комнате сферы. Перспективное знакомство. , OCLC   660960655
  14. ^ Перейти обратно: а б Торричелли, Евангелиста (1644 г.), Геометрическая работа , OCLC   55541940
  15. ^ Перейти обратно: а б с д Уокер, Эвелин (1932), Исследование «Трактата о неделимых» Роберваля , Колумбийский университет (цитируется по Whitman, 1943);
  16. ^ Коннер, Джеймс А. (2006), Ставка Паскаля: человек, который играл в кости с Богом (1-е изд.), HarperCollins, стр. 224 , ISBN  9780060766917
  17. ^ Робертс, Чарльз (2018). Элементарные дифференциальные уравнения: приложения, модели и вычисления (2-е иллюстрированное изд.). ЦРК Пресс. п. 141. ИСБН  978-1-4987-7609-7 . Выдержка со страницы 141, уравнение (f) с K =2 r
  18. ^ К. Гюйгенс, «Маятниковые часы или геометрические демонстрации движения маятника (так в оригинале) применительно к часам», Перевод Р. Дж. Блэквелла, издательство Университета штата Айова (Эймс, Айова, США, 1986).
  19. ^ 101 причина полюбить Дартмут , журнал выпускников Дартмута, 2016 г.
  20. ^ Плейфэр, К. «Курчатая циклоидная дуга в инструментах семейства кремонских скрипок Золотого века». Журнал Акустического общества Кетгута . II. 4 (7): 48–58.
  21. ^ Моттола, РМ (2011). «Сравнение изогнутых профилей кремонских скрипок Золотого века и некоторых математически построенных кривых» . Журнал Савар . 1 (1). Архивировано из оригинала 11 декабря 2017 г. Проверено 13 августа 2012 г.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e42b1c44020870abf8ae082534ce4d85__1719775140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e4/85/e42b1c44020870abf8ae082534ce4d85.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Cycloid - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)