Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Циклоида, образованная катящимся кругом

В геометрии , A циклоиды является кривой прослежена точкой на окружности , как она катится вдоль прямой линии без скольжения. Циклоида - это особая форма трохоиды и пример рулетки , кривой, образованной кривой, катящейся по другой кривой.

Циклоида с острыми вершинами, направленными вверх, представляет собой кривую самого быстрого спуска при постоянной гравитации ( кривая брахистохрона ). Это также форма кривой, для которой период объекта в простом гармоническом движении (повторное катание вверх и вниз) по кривой не зависит от исходного положения объекта ( кривая таутохрон ).

История [ править ]

Именно в левом кубке Пекода, когда мыльный камень старательно кружил меня, я впервые косвенно поразился тому замечательному факту, что в геометрии все тела, скользящие по циклоиде, например, мой мыльный камень, будут спускаться с любой момент в одно и то же время.

Моби Дик , Герман Мелвилл , 1851 г.

Циклоиду называли « Еленой геометров», так как она вызвала частые ссоры среди математиков 17 века. [1]

Историки математики предложили несколько кандидатов в первооткрыватели циклоиды. Историк-математик Пол Таннери привел аналогичную работу сирийского философа Ямвлиха как доказательство того, что кривая была известна в древности. [2] Английский математик Джон Уоллис в 1679 году приписал это открытие Николаю Кузанскому , [3] но последующие исследования показывают, что либо Уоллис ошибался, либо доказательства, которые он использовал, теперь утеряны. [4] Имя Галилео Галилея было выдвинуто в конце 19 века [5], и, по крайней мере, один автор сообщает о том, что Марин Мерсенн придает должное .[6] Начиная с работой Moritz Кантора [7] и Зигмунд Гюнтер , [8] ученыенастоящее время правопреемником приоритет Французский математик Чарльз Де Бовеллс [9] [10] [11] на основе его описания циклоиды в его Введения в geometriam , опубликованный в 1503 г. [12] В этой работе Бовеллес ошибочно принимает арку, начерченную вращающимся колесом, как часть большего круга с радиусом на 120% больше, чем меньшее колесо. [4]

Галилей создал термин « циклоида» и первым провел серьезное исследование кривой. [4] Согласно его ученику Евангелисте Торричелли , [13] в 1599 году Галилей попытался построить квадратуру циклоиды (определение площади под циклоидой) с необычно эмпирическим подходом, который включал отслеживание как образующей окружности, так и результирующей циклоиды на листовом металле. вырезать их и взвесить. Он обнаружил, что соотношение было примерно 3: 1, но ошибочно пришел к выводу, что это иррациональная дробь, что сделало бы квадратуру невозможной. [6] Примерно в 1628 году Жиль Персон де Роберваль, вероятно, узнал о квадратурной задаче изОтец Марин Мерсенн и произвел квадратуру в 1634 году, используя теорему Кавальери . [4] Однако эта работа не была опубликована до 1693 года (в его Traité des Indivisibles ). [14]

Построение касательной к циклоиде 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 Вивиане, которые смогли построить квадратуру. Этот и другие результаты были опубликованы Торричелли в 1644 г. [13], что также является первой печатной работой о циклоиде. Это привело к тому, что Роберваль обвинил Торричелли в плагиате, и полемика была прервана ранней смертью Торричелли в 1647 году [14].

В 1658 году Блез Паскаль отказался от математики в пользу теологии, но, страдая от зубной боли, начал рассматривать несколько проблем, касающихся циклоиды. Его зубная боль исчезла, и он воспринял это как небесный знак, чтобы продолжить свои исследования. Через восемь дней он закончил свое эссе и, чтобы обнародовать результаты, предложил конкурс. Паскаль предложил три вопроса, касающихся центра тяжести , площади и объема циклоиды, и победитель или победители получат призы в размере 20 и 40 испанских дублонов . Паскаль, Роберваль и сенатор Каркави были судьями, и ни одно из двух представлений ( Джона Уоллиса и Антуана де Лалувера ) не было сочтено адекватным. [15] : 198 Пока продолжалось соревнование, Кристофер Рен послал Паскалю предложение о доказательстве исправления циклоиды; Роберваль сразу же заявил, что он знал об этом много лет. Уоллис опубликовал доказательство Рена (заимствование Рена) в « Дуэте Уоллиса» Tractus Duo , отдав приоритет Рену на первое опубликованное доказательство. [14]

Пятнадцать лет спустя Христиан Гюйгенс применил циклоидальный маятник для улучшения хронометров и обнаружил, что частица может пересекать сегмент перевернутой циклоидальной дуги за то же время, независимо от ее начальной точки. В 1686 году Готфрид Вильгельм Лейбниц использовал аналитическую геометрию для описания кривой с помощью одного уравнения. В 1696 году Иоганн Бернулли поставил задачу о брахистохроне , решением которой является циклоида. [14]

Уравнения [ править ]

Циклоида, проходящая через начало координат, с горизонтальным основанием, заданным осью x , порожденная кругом радиуса r, катящимся по "положительной" стороне основания ( y ≥ 0 ), состоит из точек ( x , y ) , с

где t - действительный параметр , соответствующий углу поворота катящегося круга. Для данного t центр круга лежит в точке ( x , y ) = ( rt , r ) .

Решая относительно t и заменяя, декартово уравнение оказывается следующим:

Когда y рассматривается как функция от x , циклоида дифференцируема везде, кроме точек возврата , где она встречается с осью x , а производная стремится к вершине или по мере приближения к ней. Отображение t в ( x , y ) - это дифференцируемая кривая или параметрическая кривая класса C , а особенность, где производная равна 0, является обычной точкой возврата.

Отрезок циклоиды от одного куспида до следующего называется дугой циклоиды. Первая дуга циклоиды состоит из таких точек, что

Уравнение циклоиды удовлетворяет дифференциальному уравнению : [16]

Инволют [ править ]

Генерация эвольвенты циклоиды, разворачивающей натянутую проволоку на полуциклоидной дуге (отмечена красным)

Эвольвентная циклоида имеет свойство быть точно такими же циклоидами это происходит из. В противном случае это можно увидеть на кончике проволоки, первоначально лежащей на полудуге циклоиды, описывающей циклоидную дугу, равную той, на которой он лежал после разворачивания (см. Также циклоидальный маятник и длину дуги ).

Демонстрация [ править ]

Демонстрация свойств эвольвенты циклоиды.

Есть несколько демонстраций этого утверждения. В представленном здесь используется физическое определение циклоиды и кинематическое свойство, согласно которому мгновенная скорость точки касается ее траектории. Ссылаясь на соседнюю картинку, и две точки касания принадлежат двум катящимся окружностям. Два круга начинают катиться с одинаковой скоростью и в одном направлении без заноса. и начинаем рисовать две циклоидные дуги как на картинке. Рассматривая прямую, соединяющую и в произвольный момент времени (красная линия), можно доказать, что прямая в любой момент касается нижней дуги и ортогональна касательной к верхней дуге . Видно это призвание общая точка между верхним и нижним кругами:

  • выровнены, потому что (равная скорость прокатки) и поэтому . Точка лежит на прямой, следовательно, аналогично . Из равенства и это тоже есть . Это следует .
  • Если точка пересечения перпендикуляра от прямой до касательной к окружности в , то треугольник является равнобедренным, потому что и (легко доказать, что конструкция) . Для предыдущего отмечалось равенство между а затем и равнобедренным.
  • Проведение от ортогональной прямой до , от прямой, касательной к верхнему кругу и вызова точки встречи, теперь легко увидеть, что это ромб , используя теоремы, касающиеся углов между параллельными линиями.
  • Рассмотрим теперь скорость в . Его можно рассматривать как сумму двух компонентов: скорости прокатки и скорости сноса . Обе скорости равны по модулю, потому что круги катятся без скольжения. параллельна нижней окружности и касается ее, следовательно, параллельна . Ромб состоит из компонентов и , следовательно, подобен (одинаковые углы) ромбу, потому что у них параллельные стороны. Общая скорость тогда параллельна, потому что оба являются диагоналями двух ромбов с параллельными сторонами и имеют общее с точкой контакта . Отсюда следует, что вектор скоростилежит на продолжении . Поскольку он касается дуги циклоиды в (свойство скорости траектории), отсюда следует, что он также совпадает с касательной к дуге нижней циклоиды в .
  • Аналогичным образом легко показать, что ортогонален (другой диагонали ромба).
  • Кончик нерастяжимой проволоки, первоначально натянутый на половину дуги нижней циклоиды и ограниченный верхней окружностью , затем будет следовать за точкой по ее траектории, не изменяя ее длины, потому что скорость кончика в каждый момент ортогональна проволоке (без растяжения или сжатие). Проволока будет одновременно касательной к нижней дуге из-за натяжения и продемонстрированных предметов. Если бы он не был касательным, то возник бы разрыв и, как следствие, были бы несбалансированные силы натяжения.

Площадь [ править ]

Используя указанную выше параметризацию для одной дуги циклоиды, порожденной окружностью радиуса r ,

для площади под аркой дается

Этот результат и некоторые обобщения могут быть получены без вычисления с помощью визуального исчисления Мамикона .

Длина дуги [ править ]

Длина циклоиды как следствие свойства ее эвольвенты

Длина дуги S одной дуги определяется выражением

Другой способ непосредственно вычислить длину циклоиды с учетом свойств эвольвенты - это заметить, что когда проволока, описывающая эвольвенту, полностью развернута, она удлиняется на два диаметра, на длину 4 r . Поскольку длина проволоки не изменяется во время разворачивания, из этого следует, что длина половины дуги циклоиды равна 4 r, а длина полной дуги - 8 r .

Циклоидный маятник [ править ]

Схема циклоидального маятника.

Если простой маятник подвешен к куспиду перевернутой циклоиды, так что «струна» зажата между соседними дугами циклоиды, а длина маятника L равна половине длины дуги циклоиды (т. Е. вдвое больше диаметра образующей окружности, L = 4r ), опора маятника также проходит по циклоидной траектории. Такой циклоидальный маятник изохронен независимо от амплитуды. Вводя систему координат с центром в положении выступа, уравнение движения задается следующим образом:

где - угол прямой части струны по отношению к вертикальной оси, и определяется выражением

где A <1 - «амплитуда», - частота маятника в радианах, а g - ускорение свободного падения.

Пять изохронных циклоидальных маятников с разной амплитудой.

Голландский математик 17-го века Христиан Гюйгенс открыл и доказал эти свойства циклоиды в поисках более точных конструкций маятниковых часов, которые можно было бы использовать в навигации. [17]

Связанные кривые [ править ]

С циклоидой связано несколько кривых.

  • Трохоида : обобщение циклоиды, в которой точка, очерчивающая кривую, может находиться внутри катящегося круга (вогнутый) или снаружи (вытянутый).
  • Гипоциклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится по внутренней части другого круга вместо линии.
  • Эпициклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится по внешней стороне другого круга вместо линии.
  • Гипотрохоид : обобщение гипоциклоиды, где образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.
  • Эпитрохоида : обобщение эпициклоиды, где образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.

Все эти кривые представляют собой рулетки с кругом, катящимся по другой кривой равномерной кривизны . Циклоида, эпициклоида и гипоциклоида обладают тем свойством, что каждая подобна своей эволюции . Если q - произведение этой кривизны на радиус окружности, со знаком положительным для эпи- и отрицательным для гипо-, то соотношение кривая: эволюционное сходство равно 1 + 2 q .

Классическая игрушка- спирограф позволяет прорисовывать гипотрохоидные и эпитрохоидные кривые.

Другое использование [ править ]

Циклоидальные арки в Художественном музее Кимбелла

Циклоидальная арка была использована архитектором Луи Каном в его проекте для Художественного музея Кимбелла в Форт-Уэрте, штат Техас . Он также использовался в дизайне Центра Хопкинса в Ганновере, Нью-Гэмпшир . [ необходима цитата ]

Ранние исследования показали, что некоторые поперечные изгибы пластин скрипок золотого века близко моделируются изогнутыми циклоидными кривыми. [18] Более поздние работы показывают, что свернутые циклоиды не служат общими моделями для этих кривых, [19] которые значительно различаются.

См. Также [ править ]

  • Циклогон
  • Циклоидная передача
  • Список периодических функций
  • Кривая таутохрона

Ссылки [ править ]

  1. ^ Cajori, Флориан (1999). История математики . Нью-Йорк: Челси. п. 177. ISBN. 978-0-8218-2102-2.
  2. ^ Кожевник, Поль (1883), «Pour l'histoire des lignes et sizes courbes dans l'antiquité», Bulletin des Sciences mathèmatique , Париж: 284 (цитируется по Whitman 1943);
  3. ^ Уоллис, Д. (1695). «Выдержка из письма доктора Уоллиса от 4 мая 1697 года, касающегося циклоид, известной кардиналу Кузанусу, около 1450 года; и Карлу Бовиллусу около 1500 года» (PDF) . Философские труды Лондонского королевского общества . 19 (215–235): 561–566. DOI : 10,1098 / rstl.1695.0098 . (Цит. По Günther, стр. 5)
  4. ^ Б с д Уитмен, EA (май 1943), "Некоторые исторические заметки о циклоиды", Американский Математический Monthly , 50 (5): 309-315, DOI : 10,2307 / 2302830 , JSTOR 2302830  (требуется подписка)
  5. ^ Каджори, Флориан (1999), История математики (5-е изд.), Стр. 162, ISBN 0-8218-2102-4(Примечание: первое издание (1893 г.) и его переиздания утверждают, что Галилей изобрел циклоиду. Согласно Филлипсу, это было исправлено во втором (1919 г.) издании и сохранилось до самого последнего (пятого) издания.)
  6. ^ a b Ройдт, Том (2011). Циклоиды и пути (PDF) (MS). Государственный университет Портленда. п. 4.
  7. Cantor, Moritz (1892), Vorlesungen über Geschichte der Mathematik, Bd. 2 , Лейпциг: BG Teubner, OCLC 25376971 
  8. ^ Günther, Siegmund (1876), Vermischte untersuchungen zur geschichte der Mathematischen wissenschaften , Лейпциг: Druck und Verlag Von BG Teubner, стр. 352, OCLC 2060559 
  9. ^ Phillips, JP (май 1967), "брахистохроны, Tautochrone, Cycloid-Яблоко раздора", учителя математики , 60 (5): 506-508, JSTOR 27957609 (требуется подписка)
  10. ^ Виктор, Джозеф М. (1978), Шарль де Бовель, 1479-1553: интеллектуальная биография , стр. 42, ISBN 978-2-600-03073-1
  11. ^ Мартин, Дж. (2010). «Елена Геометрия». Журнал математики колледжа . 41 : 17–28. DOI : 10.4169 / 074683410X475083 .
  12. ^ де Буэль, Шарль (1503 г.), Введение в геометрию ... Liber de quadratura circi. Сфера Liber de Cubicatione. Perspectiva introductio. , OCLC 660960655 
  13. ^ a b Торричелли, Евангелиста (1644), Геометрическая опера , OCLC 55541940 
  14. ^ a b c d Уокер, Эвелин (1932), Исследование Роберваля Traité des Indivisibles , Колумбийский университет (цитируется по Whitman 1943);
  15. Коннер, Джеймс А. (2006), Пари Паскаля: Человек, который играл в кости с Богом (1-е изд.), HarperCollins, стр.  224 , ISBN 9780060766917
  16. ^ Робертс, Чарльз (2018). Элементарные дифференциальные уравнения: приложения, модели и вычисления (2-е иллюстрированное издание). CRC Press. п. 141. ISBN. 978-1-4987-7609-7. Выдержка страницы 141, уравнение (f) с их K = 2 r
  17. ^ К. Гюйгенс, "Маятниковые часы или геометрические демонстрации движения маятника (sic) применительно к часам", Перевод Р. Дж. Блэквелла, Издательство Государственного университета Айовы (Эймс, Айова, США, 1986).
  18. ^ Playfair, Q. «Curtate Cycloid выгибая в Золотой век Кремонской скрипичной семьи инструменты». Журнал Кетгутского акустического общества . II. 4 (7): 48–58.
  19. Перейти ↑ Mottola, RM (2011). «Сравнение арочных профилей кремонских скрипок Золотого века и некоторых математически созданных кривых» . Savart Journal . 1 (1).

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Приложение из физики : Гхатак А. и Махадеван Л. Улица трещин: циклоидальный след от цилиндра, разрывающего лист. Письма физического обзора, 91, (2003). link.aps.org
  • Эдвард Каснер и Джеймс Ньюман (1940) Математика и воображение , стр 196–200, Саймон и Шустер .
  • Уэллс Д. (1991). Словарь любопытной и интересной геометрии Penguin . Нью-Йорк: Книги Пингвинов. С. 445–47. ISBN 0-14-011813-6.

Внешние ссылки [ править ]

  • О'Коннор, Джон Дж .; Робертсон, Эдмунд Ф. , "Циклоида" , архив истории математики MacTutor , Университет Сент-Эндрюс.
  • Вайсштейн, Эрик В. «Циклоида» . MathWorld . Проверено 27 апреля 2007 года.
  • Циклоиды в вырез на-узел
  • Трактат о циклоиде и всех формах циклоидальных кривых , монография Ричарда А. Проктора, бакалавра наук, опубликованная библиотекой Корнельского университета .
  • Циклоидные кривые Шона Мэдсена при участии Дэвида фон Сеггерна, Wolfram Demonstrations Project .
  • Циклоида на PlanetPTC (Mathcad)
  • ВИЗУАЛЬНЫЙ подход к задачам CALCULUS Тома Апостола