WikiDer > Спираль - Википедия
Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. (Июль 2007 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
В математика, а спираль это изгиб который исходит из точки, удаляясь все дальше, вращаясь вокруг точки.[1][2][3][4]
Спирали
Два основных определения «спирали» в Словарь американского наследия находятся:[5]
- кривая на плоскости, которая огибает фиксированную центральную точку на постоянно увеличивающемся или уменьшающемся расстоянии от точки.
- трехмерная кривая, которая вращается вокруг оси на постоянном или непрерывно изменяющемся расстоянии при движении параллельно оси; а спираль.
Первое определение описывает планарный кривая, проходящая в обоих перпендикулярных направлениях в своей плоскости; паз на одной стороне записывать близко приближается к плоской спирали (и это конечная ширина и глубина канавки, но нет из-за того, что расстояние между дорожками шире, чем внутри, что это не идеальный пример); обратите внимание, что последовательные циклы отличаться в диаметре. В другом примере "центральные линии" рук спиральная галактика след логарифмические спирали.
Второе определение включает в себя два вида трехмерных родственников спиралей:
- конический или спиральная пружина (включая пружину, используемую для удержания и контакта с отрицательными выводами батареек AA или AAA в аккумуляторный ящик), а водоворот, который создается, когда вода сливается в раковину, часто называют спиралью или конической спиралью.
- совершенно точно, определение 2 также включает цилиндрическую цилиндрическую пружину и нить ДНК, оба из которых имеют довольно спиралевидную форму, так что "спираль" более полезный описание, чем «спираль» для каждого из них; в общем, «спираль» применяется редко, если последовательные «петли» кривой имеют одинаковый диаметр.[5]
На боковом изображении черная кривая внизу - это Архимедова спираль, а зеленая кривая - спираль. Кривая, показанная красным, представляет собой коническую спираль.
Двумерный
А двумерный, или плоскость, спираль проще всего описать с помощью полярные координаты, где радиус это монотонный непрерывная функция угла :
Круг будет рассматриваться как выродиться случай ( функция не будучи строго монотонным, а скорее постоянный).
В --координаты кривая имеет параметрическое представление:
Примеры
Некоторые из наиболее важных видов двумерных спиралей включают:
- В Архимедова спираль:
- В гиперболическая спираль:
- Спираль Ферма:
- В литуус:
- В логарифмическая спираль:
- В Спираль Cornu или же клотоид
- В Спираль Фибоначчи и золотая спираль
- В Спираль Теодора: аппроксимация спирали Архимеда, состоящая из смежных прямоугольных треугольников.
- В эвольвента круга, используемый дважды на каждом зубе почти каждого современного механизм
An Архимедова спираль создается, например, при намотке ковра.[6]
А гиперболическая спираль выглядит как изображение спирали со специальной центральной проекцией (см. схему). Гиперболическую спираль иногда называют отвечать спираль, потому что это изображение архимедовой спирали с инверсией круга (см. ниже).[7]
Название логарифмическая спираль связано с уравнением . Приближения к этому встречаются в природе.
Спирали, не попадающие в эту схему первых 5 примеров:
А Спираль Cornu имеет две асимптотические точки.
В спираль Феодора это многоугольник.
В Спираль Фибоначчи состоит из последовательности дуг окружности.
В эвольвента круга выглядит как архимед, но не является: см. Involute # Примеры.
Геометрические свойства
Следующие соображения относятся к спиралям, которые можно описать полярным уравнением , особенно для случаев (Архимедова, гиперболическая, ферма, спирали литууса) и логарифмическая спираль .
- Полярный угол наклона
Угол между касательной к спирали и соответствующим полярным кругом (см. диаграмму) называется угол полярного склона и то полярный склон.
Из векторное исчисление в полярных координатах получается формула
Отсюда и наклон спирали является
В случае Архимедова спираль () полярный наклон равен
В логарифмическая спираль это особый случай из-за постоянный !
- кривизна
Кривизна кривой с полярным уравнением является
Для спирали с один получает
В случае (Архимедова спираль).
Только для спираль имеет точка перегиба.
Кривизна логарифмическая спираль является
- Площадь сектора
Площадь сектора кривой (см. Диаграмму) с полярным уравнением является
Для спирали с уравнением один получает
Формула для логарифмическая спираль 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 можно выразить как эллиптические интегралы Только.
Длина дуги логарифмическая спираль является
- Инверсия круга
В инверсия на единичной окружности имеет в полярных координатах простое описание: .
- Изображение спирали под инверсией на единичном круге изображена спираль с полярным уравнением . Например: спираль, обратная спирали Архимеда, - это гиперболическая спираль.
- Логарифмическая спираль отображается на логарифмическую спираль
Ограниченные спирали
Функция спирали обычно строго однообразна, непрерывна.ограниченный. Для стандартных спиралей является либо степенной функцией, либо экспоненциальной функцией. Если выбрать а ограниченный функция спираль тоже ограничена. Подходящей ограниченной функцией является арктан функция:
- Пример 1
Параметр и выбор дает спираль, которая начинается в начале координат (как спираль Архимеда) и приближается к окружности с радиусом (диаграмма слева).
- Пример 2
За и получается спираль, которая приближается к началу координат (как гиперболическая спираль) и приближается к окружности с радиусом (диаграмма справа).
Трехмерный
Конические спирали
Если в --плоскость спирали с параметрическим представлением
задана, то можно добавить третью координату , такая, что кривая пространства теперь лежит на конус с уравнением :
Спирали на основе этой процедуры называются конические спирали.
- Пример
Начиная с архимедова спираль получается коническая спираль (см. схему)
Сферические спирали
Если один представляет сферу радиуса к:
и устанавливает линейную зависимость для угловых координат получаем сферическая спираль[8] с параметрическим представлением (с равно удвоенному количеству витков)
Паппу были известны и сферические спирали.
Замечание: а линия румба является нет сферическая спираль в этом смысле.
А линия румба (также известная как локсодромия или «сферическая спираль») - кривая на сфере, очерченная кораблем с постоянной несущий (например, путешествие из одного столб к другому, сохраняя фиксированный угол с уважением к меридианы). Локсодрома имеет бесконечный количество революции, причем расстояние между ними уменьшается по мере приближения кривой к любому из полюсов, в отличие от Архимедова спираль который поддерживает равномерный межстрочный интервал независимо от радиуса.
В природе
Изучение спиралей в природа имеет долгую историю. Кристофер Рен заметил, что многие снаряды сформировать логарифмическая спираль; Ян Сваммердам наблюдали общие математические характеристики широкого диапазона снарядов из Спираль к Спирула; и Генри Ноттидж Мозли описал математику одностворчатый снаряды. Д'Арси Вентворт Томпсонс О росте и форме дает обширную обработку этих спиралей. Он описывает, как оболочки образуются путем вращения замкнутой кривой вокруг фиксированной оси: форма кривой остается фиксированной, но ее размер увеличивается за геометрическая прогрессия. В некоторых оболочках, например Наутилус и аммониты, образующая кривая вращается в плоскости, перпендикулярной оси, и оболочка будет образовывать плоскую дискообразную форму. В других случаях он следует по наклонному пути, образуя гелико-спиральный узор. Томпсон также изучал спирали, встречающиеся в рога, зубы, когти и растения.[9][страница нужна]
Модель по выкройке цветочки в голове подсолнечник[10] был предложен Х. Фогелем. Это имеет вид
куда п порядковый номер цветочка и c является постоянным коэффициентом масштабирования и представляет собой форму Спираль Ферма. Угол 137,5 ° - это золотой угол что связано с Золотое сечение и дает плотную упаковку соцветий.[11]
Спирали у растений и животных часто описывают как завитки. Это также название спиральной формы отпечатки пальцев.
В лаборатории
Когда сульфат калия нагревается в воде и подвергается завихрению в химическом стакане, кристаллы образуют многорычажную спиральную структуру, когда дают возможность осесть[12]
Как символ
Спиралевидная форма была найдена в Мезин, Украина, как часть декоративного объекта 10 000 г. до н. э.[нужна цитата]
Спираль и тройная спираль мотив - это Неолит символ в Европе (Мегалитические храмы Мальты). В кельтская Символ тройной спирали на самом деле является докельтским символом.[13] Он высечен в скале каменной ромбовидной формы возле главного входа в доисторический Ньюгрейндж памятник в Графство Мит, Ирландия. Ньюгрейндж был построен около 3200 г. до н.э., до появления кельтов, а тройные спирали были вырезаны по крайней мере за 2500 лет до того, как кельты достигли Ирландии, но уже давно вошли в кельтскую культуру.[14] В трискелион символ, состоящий из трех связанных спиралей или трех изогнутых человеческих ног, появляется во многих ранних культурах, в том числе Микенский сосуды, чеканка в Lycia, на статеры из Памфилия (в Аспендос, 370–333 до н.э.) и Писидия, а также на геральдический герб на воинских щитах, изображенных на греческой керамике.[15]
Спирали можно найти в доколумбовом искусстве Латинской и Центральной Америки. Более 1400 петроглифы (наскальные рисунки) в Las Plazuelas, Гуанахуато Мексика, датируемые 750–1200 годами нашей эры, преимущественно изображают спирали, точечные фигуры и масштабные модели.[16] В Колумбии фигуры, похожие на обезьян, лягушек и ящериц, изображенные на петроглифах или в виде золотых подношений, часто содержат спирали, например, на ладонях.[17] В Нижней Центральной Америке спирали вместе с кругами, волнистыми линиями, крестами и точками являются универсальными символами петроглифов.[18] Спирали также можно встретить среди линии Наска в прибрежной пустыне Перу, датируемой с 200 г. до н.э. по 500 г. н.э. В геоглифы исчисляются тысячами и изображают животных, растения и геометрические мотивы, в том числе спирали.[19]
Спиральные формы, в том числе свастика, трискелеи т. д., часто интерпретировались как солнечные символы.[нужна цитата]Черепица, относящаяся к династия Тан с этим символом были найдены к западу от древнего города Чанъань (современный Сиань).[нужна цитата][год нужен]
Спирали также являются символом гипноз, вытекающие из клише людей и героев мультфильмов, которые загипнотизированы, глядя во вращающуюся спираль (например, Каа в Дисней Книга джунглей). Они также используются как символ головокружение, где глаза мультипликационного персонажа, особенно в аниме и манга, превратятся в спирали, чтобы показать, что у них головокружение или ошеломление. Спираль также встречается в таких небольших структурах, как двойная спираль из ДНК и размером с галактика. Из-за этого частого естественного явления спираль является официальным символом Мировое пантеистическое движение.[20]Спираль также является символом диалектика процесс и Диалектический монизм.
В искусстве
Спираль вдохновляла художников на протяжении веков. Среди самых известных произведений искусства, вдохновленных спиралью, - Роберт Смитсонс земляные работы, "Спиральный причал", на Большое Соленое озеро в Юте.[21] Спиральная тема также присутствует в Спиральном резонансном поле Дэвида Вуда на выставке Музей воздушных шаров в Альбукерке, а также в признанном критиками Nine Inch Nails Концептуальный альбом 1994 года Нисходящая спираль. Спираль также является важной темой в аниме. Гуррен Лаганн, где он представляет философию и образ жизни. Это также центральное место в творчестве Марио Мерца и Энди Голдсуорти. Спираль - центральная тема манги ужасов. Узумаки к Дзюндзи Ито, где на небольшой прибрежный городок наложено проклятие спиралей. Кусок разума, Уэйн Бил, 2012 также изображена большая спираль в этой книге снов и образов.[22][требуется полная цитата][23][требуется проверка]
Смотрите также
- Кельтский лабиринт (прямолинейная спираль)
- Концентрические круги
- ДНК
- Число Фибоначчи
- Гипогей Хал-Сафлиени
- Мегалитические храмы Мальты
- Узоры в природе
- Поверхность ракушки
- Spirangle
- Спиральная овощерезка
- Винтовая лестница
- Трискелион
Рекомендации
- ^ «Спираль | математика». Энциклопедия Британника. Получено 2020-10-08.
- ^ «Спиральное определение (иллюстрированный математический словарь)». www.mathsisfun.com. Получено 2020-10-08.
- ^ "spiral.htm". www.math.tamu.edu. Получено 2020-10-08.
- ^ «Математические закономерности в природе». Институт Франклина. 2017-06-01. Получено 2020-10-08.
- ^ а б "Спираль, Словарь английского языка American Heritage, Компания Houghton Mifflin, четвертое издание, 2009 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Архимедова спираль». mathworld.wolfram.com. Получено 2020-10-08.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Гиперболическая спираль». mathworld.wolfram.com. Получено 2020-10-08.
- ^ Куно Фладт: Специализированная аналитическая геометрия Flächen und Raumkurven, Springer-Verlag, 2013, ISBN 3322853659, 9783322853653, с. 132
- ^ Томпсон, Д'Арси (1942) [1917]. О росте и форме. Кембридж: Издательство университета; Нью-Йорк: Макмиллан.
- ^ Бен Спаркс. "Геогебра: подсолнухи безумно красивы".
- ^ Прусинкевич, Пшемыслав; Линденмайер, Аристид (1990). Алгоритмическая красота растений. Springer-Verlag. стр.101–107. ISBN 978-0-387-97297-8.
- ^ Томас, Сунил (2017). «Сульфат калия при растворении в растворе образует спиральную структуру». Русский J Phys Chem B. 11: 195–198. Дои:10.1134 / S1990793117010328. S2CID 99162341.
- ^ Энтони Мерфи и Ричард Мур, Остров Заходящего Солнца: в поисках древних астрономов Ирландии, 2-е изд., Дублин: Лиффи Пресс, 2008, стр. 168-169.
- ^ «Ньюгрейндж, Ирландия - Мегалитическая гробница - объект всемирного наследия». Knowth.com. 21 декабря 2007 г. В архиве из оригинала от 26.07.2013. Получено 2013-08-16.
- ^ Например, триллель на Ахиллес'круглый щит на чердаке конца шестого века Hydria на Бостонский музей изящных искусств, проиллюстрированный Джоном Бордманом, Джаспером Гриффином и Освином Мюрреем, Греция и эллинистический мир (Оксфордская история классического мира) т. I (1988), стр. 50.
- ^ "Наскальное искусство Латинской Америки и Карибского бассейна" (PDF). Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 5. В архиве (PDF) из оригинала 5 января 2014 г.. Получено 4 января 2014.
- ^ "Наскальное искусство Латинской Америки и Карибского бассейна" (PDF). Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 99. В архиве (PDF) из оригинала 5 января 2014 г.. Получено 4 января 2014.
- ^ "Наскальное искусство Латинской Америки и Карибского бассейна" (PDF). Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006. с. 17. В архиве (PDF) из оригинала 5 января 2014 г.. Получено 4 января 2014.
- ^ Джарус, Оуэн (14 августа 2012 г.). «Линии Наски: загадочные геоглифы Перу». LiveScience. В архиве из оригинала 4 января 2014 г.. Получено 4 января 2014.
- ^ Харрисон, Пол. «Пантеистическое искусство» (PDF). Мировое пантеистическое движение. Получено 7 июн 2012.
- ^ Израиль, Нико (2015). Спирали: закрученный образ в литературе и искусстве ХХ века. Издательство Нью-Йоркского Колумбийского университета. С. 161–186. ISBN 978-0-231-15302-7.
- ^ Кусок разума, Уэйн Бил, 2012
- ^ http://www.blurb.com/distribution?id=573100/#/project/573100/project-details/edit (требуется подписка)
Связанные публикации
- 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. Кривые спирального перехода и их применение. Scientiae Mathematicae Japonicae 61 (2), 195 - 206.
- Димулё, Сарпоно; Хабиб, Зульфикар; Сакаи, Манабу (2009). «Справедливый кубический переход между двумя окружностями, при этом одна окружность находится внутри или касается другой». Численные алгоритмы. 51 (4): 461–476. 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].
- Сюй, Л., Молд, Д., 2009. Магнитные кривые: эстетические кривые с контролируемой кривизной с использованием магнитных полей. В: Деуссен, О., Холл, П. (ред.), Вычислительная эстетика в графике, визуализации и визуализации. Еврографическая ассоциация [2].
- Ван, Юйлинь; Чжао, Бинъянь; Чжан, Лузоу; Сюй, Цзячуань; Ван, Канчанг; Ван, Шучунь (2004). «Создание прямых кривых с использованием монотонных элементов кривизны». Компьютерный геометрический дизайн. 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». Компьютерный геометрический дизайн. 27 (3): 262–280. arXiv:0902.4834. Дои:10.1016 / j.cagd.2009.12.004.
- А. Курносенко. Двухточечная интерполяция Эрмита G2 со спиралями путем обращения гиперболы. Компьютерное геометрическое проектирование, 27 (6), 474–481, 2010.
- Миура, К.Т., 2006. Общее уравнение эстетических кривых и его сродство к себе. Компьютерное проектирование и приложения 3 (1–4), 457–464 [3].
- Миура К., Соне Дж., Ямасита А., Канеко Т., 2005. Вывод общей формулы эстетических кривых.. В: 8-я Международная конференция по людям и компьютерам (HC2005). Айзу-Вакамуцу, Япония, стр. 166 - 171. [4].
- Мик, Д.С.; Уолтон, Д.Дж. (1989). «Использование 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 B. 11: 195–198. Дои:10.1134 / S1990793117010328. S2CID 99162341.
- Фарин, Джеральд (2006). «Кривые Безье класса А». Компьютерный геометрический дизайн. 23 (7): 573–581. Дои:10.1016 / j.cagd.2006.03.004.
- Фаруки, Р.Т., 1997. Пятые переходные кривые Пифагора-годографа монотонной кривизны. Компьютерное проектирование 29 (9), 601–606.
- Ёсида, Н., Сайто, Т., 2006. Интерактивные эстетические сегменты кривой. Визуальный компьютер 22 (9), 896–905 [5].
- Йошида, Н., Сайто, Т., 2007. Квазиэстетические кривые в рациональных кубических формах Безье. Компьютерное проектирование и приложения 4 (9–10), 477–486 [6].
- Зиатдинов, Р., Йошида, Н., Ким, Т., 2012. Аналитические параметрические уравнения логарифмических эстетических кривых в терминах неполных гамма-функций. Компьютерное геометрическое проектирование 29 (2), 129–140 [7].
- Зиатдинов, Р., Йошида, Н., Ким, Т., 2012. Подгонка кривой мультиспирального перехода G2, соединяющей две прямые линии, Компьютерное проектирование 44 (6), 591–596 [8].
- Зятдинов Р., 2012. Семейство суперспиралей с полностью монотонной кривизной, заданное в терминах гипергеометрической функции Гаусса. Компьютерное геометрическое проектирование 29 (7): 510–518, 2012. [9].
- Зиатдинов Р., Миура К.Т., 2012. О разнообразии плоских спиралей и их применениях в компьютерном проектировании. European Researcher 27 (8-2), 1227–1232. [10].
внешняя ссылка
Викискладе есть медиафайлы по теме Спираль. |
- Jamnitzer-Галерея: 3D-спирали
- SpiralZoom.com, образовательный сайт о науке о формировании узоров, спиралях в природе и спиралях в воображении мифов.
- Спирали Юргена Кёллера
- Спирали - сборник «Энциклопедия жизни» с примерами спиралей в природе.
- Спираль Архимеда трансформируется в спираль Галилея. Михаил Гайченков, OEIS
- Образовательная веб-страница, соединяющая спирали с природой, искусством и узорами.
- Texto en Espiral