Циклоида - Cycloid

Для использования в других целях см. Циклоида (значения).

Циклоида, образованная катящимся кругом

В геометрия, а циклоида это кривая отслеживается точкой на круг как он катится по прямая линия без скольжения. Циклоида - это особая форма трохоидный и является примером рулетка, кривая, образованная кривой, катящейся по другой кривой.

Циклоида с куспиды направленная вверх, это кривая наиболее быстрого спуска при постоянном сила тяжести (в брахистохромная кривая ). Это также форма кривой, для которой период объекта в простые гармонические колебания (повторяющееся перекатывание вверх и вниз) по кривой не зависит от исходного положения объекта ( кривая таутохрона ).

История

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 от Герман Мелвилл, 1851

Циклоида получила название "The Хелен Геометров », так как он вызывал частые ссоры среди математиков 17 века.^[1]

Историки математики предложили несколько кандидатов в первооткрыватели циклоиды. Математический историк Пол Таннери процитировал аналогичную работу сирийского философа Ямблих как свидетельство того, что кривая была известна еще в древности.^[2] Английский математик Джон Уоллис в 1679 г. приписал открытие Николай Кузанский,^[3] но последующие исследования показывают, что либо Уоллис ошибался, либо доказательства, которые он использовал, теперь утеряны.^[4] Галилео Галилей имя было выдвинуто в конце 19 века.^[5] и по крайней мере один автор сообщает о том, что Марин Мерсенн.^[6] Начиная с работы Мориц Кантор^[7] и Зигмунд Гюнтер,^[8] ученые теперь отдают приоритет французскому математику Шарль де Бовель^[9][10][11] на основе его описания циклоиды в его Введение в геометрию, опубликовано в 1503 г.^[12] В этой работе Бовеллес ошибочно принимает арку, начерченную вращающимся колесом, как часть большего круга с радиусом на 120% больше, чем у меньшего колеса.^[4]

Галилей создал термин циклоида и был первым, кто серьезно изучил кривую.^[4] По словам его ученицы Евангелиста Торричелли,^[13] в 1599 году Галилей предпринял попытку квадратура циклоиды (определение площади под циклоидой) с помощью необычно эмпирического подхода, который включал отслеживание как образующей окружности, так и результирующей циклоиды на листовом металле, вырезая их и взвешивая. Он обнаружил, что это отношение было примерно 3: 1, но ошибочно пришел к выводу, что это иррациональная дробь, что сделало бы квадратурное невозможным.^[6] Около 1628 г. Жиль Персон де Роберваль вероятно узнал о квадратурной проблеме от Пер Марин Мерсенн и произвел квадратуру в 1634 году, используя Теорема Кавальери.^[4] Однако эта работа не была опубликована до 1693 г. (в его Traité des Indivisibles).^[14]

Строительство касательная циклоиды датируется августом 1638 года, когда Мерсенн получил уникальные методы от Роберваля, Пьер де Ферма и Рене Декарт. 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] которая 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 центр гравитации, площадь и объем циклоиды, победитель или победители получат призы в размере 20 и 40 испанских дублоны. Паскаль, Роберваль и сенатор Каркави были судьями, и ни одно из двух представлений (по Джон Уоллис и Антуан де Лалувер ) были признаны адекватными.^[15]:198 Пока продолжался конкурс, Кристофер Рен послал Паскалю предложение о доказательстве исправление циклоиды; Роберваль сразу же заявил, что он знал об этом много лет. Уоллис опубликовал доказательство Рена (заимствование Рена) в журнале Wallis's Tractus Duo, отдавая приоритет Рену за первое опубликованное доказательство.^[14]

Пятнадцать лет спустя Кристиан Гюйгенс развернул циклоидный маятник для улучшения хронометров и обнаружил, что частица может пересекать сегмент перевернутой циклоидальной дуги за то же время, независимо от своей начальной точки. В 1686 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц использовал аналитическую геометрию для описания кривой с помощью одного уравнения. В 1696 г. Иоганн Бернулли поставил проблема брахистохрона, решением которой является циклоида.^[14]

Уравнения

Циклоида, проходящая через начало координат, с горизонтальным основанием, заданным Икс- ось, образованная кругом радиуса р перекатывание "положительной" стороны основания (у ≥ 0), состоит из точек (Икс, у), с участием

${\displaystyle {\begin{aligned}x&=r(t-\sin t)\\y&=r(1-\cos t),\end{aligned}}}$

где т настоящий параметр, соответствующий углу поворота катящегося круга. Для данного т, центр круга лежит в (Икс, у) = (rt, р).

Решение для т и заменив Декартово уравнение оказывается:

${\displaystyle x=r\cos ^{-1}\left(1-{\frac {y}{r}}\right)-{\sqrt {y(2r-y)}}.}$

Когда у рассматривается как функция Икс, циклоида дифференцируемый везде, кроме куспиды, где он попадает в Икс-ось, с производной, стремящейся к ${\displaystyle \infty }$ или ${\displaystyle -\infty }$ как один приближается к куспиду. Карта из т к (Икс, у) дифференцируемая кривая или параметрическая кривая класса C^∞, а особенность, где производная равна 0, является обычным каспом.

Отрезок циклоиды от одного куспида до следующего называется дугой циклоиды. Первая дуга циклоиды состоит из таких точек, что ${\displaystyle 0\leq t\leq 2\pi .}$

Уравнение циклоиды удовлетворяет дифференциальное уравнение:^[16]

${\displaystyle \left({\frac {dy}{dx}}\right)^{2}={\frac {2r}{y}}-1.}$

Инволют

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

В эвольвента циклоида имеет свойство быть точно такой же циклоидой, из которой она произошла. В противном случае это можно увидеть на кончике проволоки, изначально лежащей на полудуге циклоиды, описывающей циклоидную дугу, равную той, на которой она лежала после разворачивания (см. циклоидальный маятник и длина дуги ).

Демонстрация

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, ${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}}$ две точки касания, принадлежащие двум катящимся окружностям. Два круга начинают катиться с одинаковой скоростью и в одном направлении без заноса. ${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}}$ начните рисовать две циклоидные дуги как на картинке. Учитывая линию, соединяющую ${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}}$ в произвольный момент времени (красная линия) можно доказать, что линия всегда касается ${\displaystyle P_{2}}$ к нижней дуге и перпендикулярно касательной в ${\displaystyle P_{1}}$ верхней дуги. Видно это призвание ${\displaystyle Q}$ общая точка между верхним и нижним кругами:

• ${\displaystyle P_{1},Q,P_{2}}$ выровнены, потому что ${\displaystyle {\widehat {P_{1}O_{1}Q}}={\widehat {P_{2}O_{2}Q}}}$ (равная скорость прокатки) и, следовательно, ${\displaystyle {\widehat {O_{1}QP_{1}}}={\widehat {O_{2}QP_{2}}}}$ . Смысл ${\displaystyle Q}$ лежит на линии ${\displaystyle O_{1}O_{2}}$ следовательно ${\displaystyle {\widehat {P_{1}QO_{1}}}+{\widehat {P_{1}QO_{2}}}=\pi }$ объявление аналогично ${\displaystyle {\widehat {P_{2}QO_{2}}}+{\widehat {P_{2}QO_{1}}}=\pi }$. Из равенства ${\displaystyle {\widehat {O_{1}QP_{1}}}}$ и ${\displaystyle {\widehat {O_{2}QP_{2}}}}$ есть это также ${\displaystyle {\widehat {P_{1}QO_{2}}}={\widehat {P_{2}QO_{1}}}}$. Следует ${\displaystyle {\widehat {P_{1}QO_{1}}}+{\widehat {P_{2}QO_{1}}}=\pi }$ .
• Если ${\displaystyle A}$ точка пересечения перпендикуляра от ${\displaystyle P_{1}}$ прямо из ${\displaystyle O_{1}O_{2}}$ и касательная к окружности в ${\displaystyle P2}$ , то треугольник ${\displaystyle P_{1}AP_{2}}$ равнобедренный, потому что ${\displaystyle {\widehat {QP_{2}A}}={\frac {1}{2}}{\widehat {P_{2}O_{2}Q}}}$ и ${\displaystyle {\widehat {QP_{1}A}}={\frac {1}{2}}{\widehat {QO_{1}R}}=}$(легко доказать увиденную конструкцию)${\displaystyle ={\frac {1}{2}}{\widehat {QO_{1}P_{1}}}}$ . Для отмеченного ранее равенства между ${\displaystyle {\widehat {P_{1}O_{1}Q}}}$ и ${\displaystyle {\widehat {QO_{2}P_{2}}}}$ тогда ${\displaystyle {\widehat {QP_{1}A}}={\widehat {QP_{2}A}}}$ и ${\displaystyle P_{1}AP_{2}}$ равнобедренный.
• Проведение от ${\displaystyle P_{2}}$ ортогональная прямая к ${\displaystyle O_{1}O_{2}}$ , от ${\displaystyle P_{1}}$ прямая касательная к верхнему кругу и вызывающая ${\displaystyle B}$ место встречи теперь легко увидеть, что ${\displaystyle P_{1}AP_{2}B}$ это ромб, используя теоремы об углах между параллельными прямыми
• Теперь рассмотрим скорость ${\displaystyle V_{2}}$ из ${\displaystyle P_{2}}$ . Его можно рассматривать как сумму двух составляющих, скорость прокатки ${\displaystyle V_{a}}$ и скорость дрейфа ${\displaystyle V_{d}}$ . Обе скорости равны по модулю, потому что круги катятся без скольжения. ${\displaystyle V_{d}}$ параллельно ${\displaystyle P_{1}A}$ и ${\displaystyle V_{a}}$ касается нижнего круга в ${\displaystyle P_{2}}$ поэтому параллельно ${\displaystyle P_{2}A}$ . Ромб, составленный из компонентов ${\displaystyle V_{d}}$ и ${\displaystyle V_{a}}$ поэтому похож (те же углы) на ромб ${\displaystyle BP_{1}AP_{2}}$ потому что у них параллельные стороны. Общая скорость ${\displaystyle P_{2},V_{2}}$ тогда параллельно ${\displaystyle P_{2}P_{1}}$ поскольку оба являются диагоналями двух ромбов с параллельными сторонами и имеют общее с ${\displaystyle P_{1}P_{2}}$ точка контакта ${\displaystyle P_{2}}$ . Отсюда следует, что вектор скорости ${\displaystyle V_{2}}$ лежит на продлении ${\displaystyle P_{1}P_{2}}$ . Потому что ${\displaystyle V_{2}}$ касается дуги циклоиды в ${\displaystyle P_{2}}$ (свойство скорости траектории), отсюда следует, что и ${\displaystyle P_{1}P_{2}}$ совпадает с касательной к дуге нижней циклоиды в ${\displaystyle P_{2}}$.
• Аналогичным образом легко показать, что ${\displaystyle P_{1}P_{2}}$ ортогонален ${\displaystyle V_{1}}$ (другая диагональ ромба).
• Кончик нерастяжимой проволоки первоначально натягивался на половину дуги нижней циклоиды и ограничивался верхней окружностью в ${\displaystyle P_{1}}$ затем будет следовать за точкой по ее пути без изменения его длины потому что скорость наконечника в каждый момент ортогональна проволоке (без растяжения или сжатия). Проволока будет одновременно касательной в ${\displaystyle P_{2}}$ к нижней дуге из-за натяжения и продемонстрированных предметов. Если бы он не был касательным, то был бы разрыв в ${\displaystyle P_{2}}$ и, следовательно, возникнут несбалансированные силы натяжения.

Площадь

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

${\displaystyle {\begin{aligned}x&=r(t-\sin t)\\y&=r(1-\cos t)\end{aligned}}}$

для ${\displaystyle 0\leq t\leq 2\pi ,}$ площадь под аркой определяется как

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=\int _{x=0}^{2\pi r}y\,dx\\&=\int _{t=0}^{2\pi }r^{2}(1-\cos t)^{2}dt\\&=3\pi r^{2}.\end{aligned}}}$

Этот результат и некоторые обобщения могут быть получены без вычислений методом Мамикона. визуальный расчет.

Длина дуги

Длина циклоиды как следствие свойства ее эвольвенты

Длина дуги S одной арки задается

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=\int _{0}^{2\pi }{\sqrt {\left({\frac {dx}{dt}}\right)^{2}+\left({\frac {dy}{dt}}\right)^{2}}}dt\\&=\int _{0}^{2\pi }r{\sqrt {2-2\cos t}}\,dt\\&=2r\int _{0}^{2\pi }\sin {\frac {t}{2}}\,dt\\&=8r.\end{aligned}}}$

Еще один способ быстро вычислить длину циклоиды с учетом свойств эвольвента состоит в том, чтобы заметить, что когда проволока, описывающая эвольвенту, полностью развернута, она удлиняется на два диаметра, на длину 4р. Поскольку длина проволоки не изменяется во время разворачивания, следует, что длина половины дуги циклоиды равна 4р а для полной дуги 8р.

Циклоидный маятник

Схема циклоидального маятника.

Если простой маятник подвешен к куспиду перевернутой циклоиды, так что «струна» зажата между соседними дугами циклоиды, и длина маятника L равна половине длины дуги циклоиды (т. е. удвоенному диаметру образующей окружности, L = 4r), боб из маятник также прослеживает циклоидный путь. Такой циклоидальный маятник изохронный, независимо от амплитуды. Вводя систему координат с центром в положении выступа, уравнение движения задается следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}x&=r[2\theta (t)+\sin(2\theta (t))]\\y&=r[-3-\cos(2\theta (t))],\end{aligned}}}$

где ${\displaystyle \theta }$ - угол прямой части струны по отношению к вертикальной оси и определяется выражением

${\displaystyle \sin \theta (t)=A\cos(\omega t),\qquad \omega ^{2}={\frac {g}{L}}={\frac {g}{4r}},}$

где А <1 это «амплитуда», ${\displaystyle \omega }$ - радианная частота маятника и г ускорение свободного падения.

Пять изохронных циклоидальных маятников с разной амплитудой.

Голландский математик 17 века Кристиан Гюйгенс открыли и доказали эти свойства циклоиды при поиске более точных конструкций маятниковых часов для использования в навигации.^[17]

Связанные кривые

С циклоидой связано несколько кривых.

• Трохоидный: обобщение циклоиды, в которой точка, отслеживающая 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.
• Эпитрохоид: обобщение эпициклоиды, где образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.

Все эти кривые рулетки с кругом, катящимся по другой кривой формы кривизна. Циклоида, эпициклоида и гипоциклоида обладают тем свойством, что каждая из них аналогичный к его эволюционировать. Если q это товар этой кривизны с радиусом круга, подписанным положительным для эпи- и отрицательным для гипо-, то кривая: evolute соотношение сходства это 1 + 2q.

Классический Спирограф игрушка выявляет гипотрохоид и эпитрохоид кривые.

Другое использование

Циклоидальные дуги на Художественный музей Кимбелла

Циклоидальную арку использовал архитектор Луи Кан в его дизайне для Художественный музей Кимбелла в Форт-Уэрт, Техас. Он также использовался в дизайне Центр Хопкинса в Ганновер, Нью-Гэмпшир.^{[нужна 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.

Смотрите также

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

использованная литература

1. Кахори, Флориан (1999). История математики. Нью-Йорк: Челси. п. 177. ISBN  978-0-8218-2102-2.
2. Кожевник, Поль (1883 г.), "Pour l'histoire des lignes et Surface Courbes dans l'antiquité", Бюллетень математических наук, Париж: 284 (цитируется по Whitman 1943);
3. Уоллис, Д. (1695). "Выдержка из письма доктора Уоллиса от 4 мая 1697 года о циклоиде, известной кардиналу Кузанусу около 1450 года; и Карлу Бовиллусу около 1500 года" (PDF). Философские труды Лондонского королевского общества. 19 (215–235): 561–566. Дои:10.1098 / рстл.1695.0098. (Цит. По Günther, стр. 5)
4. Уитмен, Э.А. (май 1943 г.), "Некоторые исторические заметки о циклоиде", Американский математический ежемесячник, 50 (5): 309–315, Дои:10.2307/2302830, JSTOR  2302830 (требуется подписка)
5. Кахори, Флориан (1999), История математики (5-е изд.), С. 162, ISBN  0-8218-2102-4(Обратите внимание первое (1893 г.) издание и его репринты утверждают, что Галилей изобрел циклоиду. По словам Филлипса, это было исправлено во втором (1919) издании и оставалось до последнего (пятого) издания.)
6. Ройдт, Том (2011). Циклоиды и пути (PDF) (РС). Государственный университет Портленда. п. 4.
7. Кантор, Мориц (1892), Vorlesungen über Geschichte der Mathematik, Bd. 2, Лейпциг: Б. Г. Тойбнер, OCLC  25376971
8. Гюнтер, Зигмунд (1876 г.), Vermischte untersuchungen zur geschichte der Mathematischen wissenschaften, Лейпциг: Druck und Verlag Von B.G. Teubner, p. 352, OCLC  2060559
9. Филлипс, Дж. П. (май 1967 г.), «Брахистохрона, таутохрона, циклоида - яблоко раздора», Учитель математики, 60 (5): 506–508, JSTOR  27957609(требуется подписка)
10. Виктор, Джозеф М. (1978), Шарль де Бовель, 1479-1553: интеллектуальная биография, п. 42, ISBN  978-2-600-03073-1
11. Мартин, Дж. (2010). «Елена Геометрия». Математический журнал колледжа. 41: 17–28. Дои: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. Торричелли, Евангелиста (1644 г.), Опера геометрическая, OCLC  55541940
14. Уокер, Эвелин (1932), Исследование черты неделимых Роберваля, Колумбийский университет (цитируется по Whitman 1943);
15. Коннер, Джеймс А. (2006), Ставка 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 изд.). CRC Press. п. 141. ISBN  978-1-4987-7609-7. Выдержка страницы 141, уравнение (f) с их K=2р
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 Arching in Golden Age Cremonese Violin Family Instruments". Журнал Кетгутского акустического общества. II. 4 (7): 48–58.
19. Моттола, РМ (2011). «Сравнение арочных профилей кремонских скрипок Золотого века и некоторых математически построенных кривых». Журнал Savart. 1 (1).

дальнейшее чтение

• Приложение из физики: Ghatak, A. & Mahadevan, L. Crack street: циклоидальный след цилиндр разрывая 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

• О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф., «Циклоида», Архив истории математики MacTutor, Сент-Эндрюсский университет.
• Вайсштейн, Эрик В. «Циклоида». MathWorld. Проверено 27 апреля 2007 года.
• Циклоиды в завязать узел

• Трактат о циклоиде и всех формах циклоидальных кривых, монография Ричарда А. Проктора, Б.А. Сообщение от Библиотека Корнельского университета.
• Циклоидные кривые Шона Мэдсена при участии Дэвида фон Зеггерна, Вольфрам Демонстрационный проект.
• Циклоида на PlanetPTC (Mathcad)
• ВИЗУАЛЬНЫЙ подход к задачам CALCULUS Том Апостол