Spirála - Spiral - Wikipedia
tento článek potřebuje další citace pro ověření.Červenec 2007) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |
v matematika, a spirála je křivka který vyzařuje z bodu a pohybuje se dále, když se točí kolem bodu.[1][2][3][4]
Helices
Dvě hlavní definice "spirály" v EU Slovník amerického dědictví jsou:[5]
- křivka v rovině, která se vine kolem pevného středového bodu v neustále se zvětšující nebo zmenšující vzdálenosti od bodu.
- trojrozměrná křivka, která se otáčí kolem osy v konstantní nebo kontinuálně se měnící vzdálenosti při pohybu rovnoběžně s osou; A spirála.
První definice popisuje a rovinný křivka, která se rozprostírá v obou kolmých směrech v její rovině; drážka na jedné straně a záznam těsně se blíží spirále roviny (a je to podle konečné šířky a hloubky drážky, ale ne širším rozestupem než v rámci stop, že to není dokonalý příklad); Všimněte si, že po sobě jdoucí smyčky lišit v průměru. V dalším příkladu jsou „středové čáry“ ramen a spirální galaxie stopa logaritmické spirály.
Druhá definice zahrnuje dva druhy trojrozměrných příbuzných spirál:
- kónický nebo spirální pružina (včetně pružiny, která slouží k přidržení záporných pólů baterií AA nebo AAA a kontaktu s nimi bateriový box ) a vír, který vzniká při odtoku vody z umyvadla, je často popisován jako spirála nebo jako kuželovitá šroubovice.
- definice 2 zcela jasně zahrnuje také válcovou vinutou pružinu a pramen DNA, oba které jsou docela spirálovité, takže „spirála“ je více užitečný popis než „spirála“ pro každou z nich; obecně se „spirála“ používá jen zřídka, pokud mají následné „smyčky“ křivky stejný průměr.[5]
Na bočním obrázku je černá křivka ve spodní části znaku Archimédova spirála, zatímco zelená křivka je šroubovice. Křivka zobrazená červeně je kónická šroubovice.
Dvourozměrný
A dvourozměrný nebo rovinu, spirálu lze popsat nejsnadněji pomocí polární souřadnice, Kde poloměr je monotóní spojitá funkce úhlu :
Kruh by byl považován za degenerovat případ ( funkce není přísně monotónní, ale spíše konstantní ).
v --souřadnice křivka má parametrické vyjádření:
Příklady
Mezi nejdůležitější druhy dvourozměrných spirál patří:
- The Archimédova spirála:
- The hyperbolická spirála:
- Fermatova spirála:
- The lituus:
- The logaritmická spirála:
- The Spirála Cornu nebo clothoid
- The Fibonacciho spirála a zlatá spirála
- The Theodorova spirála: přiblížení archimédské spirály složené ze sousedících pravoúhlých trojúhelníků
- The evolventní kruhu, použitý dvakrát na každém zubu téměř každého moderního Ozubené kolo
Archimédova spirála
hyperbolická spirála
Fermatova spirála
lituus
logaritmická spirála
Spirála Cornu
Theodorova spirála
Fibonacciho spirála (zlatá spirála)
Evolventní evoluce kruhu (černá) není totožná s archimédskou spirálou (červená).
An Archimédova spirála se například generuje při navíjení koberce.[6]
A hyperbolická spirála se objeví jako obrázek šroubovice se speciální středovou projekcí (viz obrázek). Hyperbolická spirála se někdy nazývá reciproke spirála, protože je to obraz Archimédovy spirály s inverzí kruhu (viz níže).[7]
Název logaritmická spirála je kvůli rovnici . Přibližné údaje se nacházejí v přírodě.
Spirály, které nezapadají do tohoto schématu prvních 5 příkladů:
A Spirála Cornu má dva asymptotické body.
The Theodorova spirála je mnohoúhelník.
The Fibonacciho spirála sestává ze sledu kruhových oblouků.
The evolventní kruh vypadá jako Archimedean, ale není: viz Evolventní # příklady.
Geometrické vlastnosti
Následující úvahy se zabývají spirálami, které lze popsat polární rovnicí , zejména pro případy (Archimédova, hyperbolická, Fermatova, lituální spirála) a logaritmická spirála .
- Polární úhel sklonu
Úhel mezi spirálovou tečnu a odpovídající polární kružnici (viz diagram) se nazývá úhel polárního sklonu a the polární sklon.
Z vektorový počet v polárních souřadnicích jeden dostane vzorec
Proto je sklon spirály je
V případě Archimédova spirála () polární sklon je
The logaritmická spirála je zvláštní případ, protože konstantní !
- zakřivení
Zakřivení křivky s polární rovnicí je
Pro spirálu s jeden dostane
V případě (Archimédova spirála).
Pouze pro spirála má inflexní bod.
Zakřivení a logaritmická spirála je
- Sektorová oblast
Plocha sektoru křivky (viz diagram) s polární rovnicí je
Pro spirálu s rovnicí jeden dostane
Vzorec pro a logaritmická spirála je
- Délka oblouku
Délka oblouku křivky s polární rovnicí je
Pro spirálu délka je
Ne všechny tyto integrály lze vyřešit vhodnou tabulkou. V případě Fermatovy spirály lze vyjádřit integrál pomocí eliptické integrály pouze.
Délka oblouku a logaritmická spirála je
- Inverze kruhu
The inverze v jednotkovém kruhu má v polárních souřadnicích jednoduchý popis: .
- Obraz spirály pod inverzí na jednotkovém kruhu je spirála s polární rovnicí . Například: Inverze archimédské spirály je hyperbolická spirála.
- Logaritmická spirála je mapována na logaritmickou spirálu
Ohraničené spirály
Funkce spirála je obvykle přísně monotónní, spojitá a unohraničený. Pro standardní spirály je výkonová funkce nebo exponenciální funkce. Pokud se někdo rozhodne pro A ohraničený funkce spirála je také ohraničená. Vhodnou omezenou funkcí je arktan funkce:
- Příklad 1
Nastavení a volba dává spirálu, která začíná na počátku (jako Archimédova spirála) a přibližuje se k kruhu s poloměrem (diagram vlevo).
- Příklad 2
Pro a jeden dostane spirálu, která se blíží počátku (jako hyperbolická spirála) a blíží se k kruhu s poloměrem (diagram vpravo).
Trojrozměrný
Kónické spirály
Pokud v --plánujte spirálu s parametrickým znázorněním
zadána, pak může být přidána třetí souřadnice , takže nyní křivka prostoru leží na kužel s rovnicí :
Spirály založené na tomto postupu se nazývají kuželovité spirály.
- Příklad
Počínaje archimédova spirála jeden dostane kuželovitou spirálu (viz obrázek)
Sférické spirály
Pokud jeden představuje kouli o poloměru podle:
a nastaví lineární závislost za úhlové souřadnice dostane jeden a sférická spirála[8] s parametrickou reprezentací (s rovnající se dvojnásobnému počtu otáček)
Sférické spirály poznal i Pappus.
Poznámka: a loxodomu je ne v tomto smyslu sférická spirála.
Sférická spirála
Loxodrom
A loxodomu (také známý jako loxodrom nebo „sférická spirála“) je křivka na kouli sledovaná lodí s konstantní ložisko (např. cestování z jednoho pól na druhou při zachování pevné úhel s respektem k meridiány ). Loxodrom má nekonečný počet otáčky s tím, jak se křivka přibližuje k jednomu z pólů, na rozdíl od Archimédova spirála který udržuje jednotné řádkování bez ohledu na poloměr.
V přírodě
Studium spirál v Příroda má dlouhou historii. Christopher Wren pozoroval tolik mušle tvoří a logaritmická spirála; Jan Swammerdam pozoroval běžné matematické charakteristiky široké škály granátů z Spirála na Spirula; a Henry Nottidge Moseley popsal matematiku bezkonkurenční mušle. D’Arcy Wentworth Thompson je O růstu a formě poskytuje těmto spirálám rozsáhlou léčbu. Popisuje, jak se mušle tvoří otáčením uzavřené křivky kolem pevné osy: tvar křivky zůstává pevná, ale její velikost roste v a geometrický průběh. V některých granátech, jako např Nautilus a amonity, generující se křivka se otáčí v rovině kolmé k ose a skořápka vytvoří rovinný diskovitý tvar. U ostatních sleduje šikmou cestu tvořící a helico -spirálový vzor. Thompson také studoval spirály vyskytující se v rohy, zuby, drápy a rostliny.[9][stránka potřebná ]
Model pro vzor kvítky v hlavě a slunečnice[10] navrhl H. Vogel. To má formu
kde n je indexové číslo floretu a C je konstantní měřítko a je formou Fermatova spirála. Úhel 137,5 ° je zlatý úhel který souvisí s Zlatý řez a dává těsné balení kvítků.[11]
Spirály v rostlinách a zvířatech jsou často popisovány jako přesleny. Toto je také název pro spirálovitý tvar otisky prstů.
Umělecké ztvárnění spirální galaxie.
Slunečnicová hlava zobrazující kvítky zvenčí spirál 34 a 55.
V laboratoři
Když síran draselný je zahříván ve vodě a podroben víření v kádince, tvoří krystaly vícesložkovou spirálovou strukturu, pokud se nechá usadit[12]
Síran draselný tvoří v roztoku spirálovou strukturu.
Jako symbol
Spirála podobná forma byla nalezena v Mezine, Ukrajina, jako součást dekorativního předmětu datovaného do 10 000 př.[Citace je zapotřebí ]
Spirála a trojitá spirála motiv je a Neolitický symbol v Evropě (Megalitické chrámy na Maltě ). The keltský symbol trojitá spirála je ve skutečnosti předkeltský symbol.[13] Je vytesán do skály kamenné pastilky poblíž hlavního vchodu prehistorika Newgrange pomník v County Meath, Irsko. Newgrange byl postaven kolem roku 3200 př. N. L. Předcházel Keltům a trojité spirály byly vyřezány nejméně 2500 let před tím, než se Keltové dostali do Irska, ale již dávno byla začleněna do keltské kultury.[14] The triskelion symbol, skládající se ze tří spletených spirál nebo tří ohnutých lidských nohou, se objevuje v mnoha raných kulturách, včetně Mykénské plavidla, na ražení mincí v Lycia, na statéry z Pamfylie (na Aspendos, 370–333 př. Nl) a Pisidia, stejně jako na heraldický znak na štítech válečníků zobrazený na řecké keramice.[15]
Spirály lze nalézt v celém předkolumbovském umění v Latinské a Střední Americe. Více než 1400 petroglyfy (skalní rytiny) v Las Plazuelas, Guanajuato Mexiko z roku 750–1200 nl, zobrazují převážně spirály, tečkované postavy a zmenšené modely.[16] V kolumbijských opicích žába a ještěrka jako postavy zobrazené v petroglyfech nebo jako figurky nabízející zlato často zahrnují spirály, například na dlaních.[17] V dolní Střední Americe jsou spirály spolu s kruhy, vlnovkami, křížky a body univerzálními znaky petroglyfů.[18] Spirály lze také nalézt mezi Nazca Lines v pobřežní poušti Peru, která se datuje od roku 200 př. n. l. do roku 500 n. l. The geoglyfy počet v tisících a zobrazuje zvířata, rostliny a geometrické motivy, včetně spirál.[19]
Spirálové tvary, včetně svastika, triskele atd., byly často interpretovány jako sluneční symboly.[Citace je zapotřebí ]Střešní tašky sahající až do Dynastie Tchang s tímto symbolem byly nalezeny západně od starobylého města Chang'an (dnešní Xi'an).[Citace je zapotřebí ][rok potřebný ]
Spirály jsou také symbolem hypnóza, vycházející z klišé lidí a kreslených postaviček hypnotizovalo zíráním do točící se spirály (jedním příkladem je Kaa v Disney Kniha Džunglí ). Používají se také jako symbol závrať, kde oči kreslené postavičky, zejména v anime a manga, se změní na spirály, aby se ukázalo, že jsou závratě nebo omámení. Spirála se také nachází ve strukturách tak malých, jako je dvojitá spirála z DNA a tak velký jako a galaxie. Kvůli tomuto častému přirozenému výskytu je spirála oficiálním symbolem Světové panteistické hnutí.[20]Spirála je také symbolem dialektický proces a Dialektický monismus.
V umění
Spirála inspirovala umělce po celé věky. Mezi nejznámější spirálovitě inspirované umění patří Robert Smithson je zemní práce, "Spirálové molo ", na Velké slané jezero v Utahu.[21] Toto spirálové téma je také přítomno ve Spirálovém rezonančním poli Davida Wooda na Muzeum balónu v Albuquerque, stejně jako v kritikou uznávaných Nine Inch Nails Koncepční album z roku 1994 Spirála dolů. Spirála je také prominentní téma v anime Gurren Lagann, kde představuje filozofii a způsob života. Je také ústředním bodem prací Maria Merze a Andyho Goldsworthyho. Spirála je ústředním tématem hororové mangy Uzumaki podle Junji Ito, kde je malé pobřežní městečko postiženo kletbou zahrnující spirály. 2012 Kus mysli Wayne A Beale také zobrazuje velkou spirálu v této knize snů a obrazů.[22][úplná citace nutná ][23][je nutné ověření ]
Viz také
- Keltské bludiště (přímá spirála)
- Soustředné kruhy
- DNA
- Fibonacciho číslo
- Hypogeum Ħal-Saflieni
- Megalitické chrámy na Maltě
- Vzory v přírodě
- Povrch mušle
- Spirangle
- Spirálový kráječ zeleniny
- Točité schody
- Triskelion
Reference
- ^ "Spirála | matematika". Encyklopedie Britannica. Citováno 2020-10-08.
- ^ „Definice spirály (Ilustrovaný slovník matematiky)“. www.mathsisfun.com. Citováno 2020-10-08.
- ^ "spiral.htm". www.math.tamu.edu. Citováno 2020-10-08.
- ^ „Matematické vzory v přírodě“. Franklinův institut. 2017-06-01. Citováno 2020-10-08.
- ^ A b "Spirála, American Heritage Dictionary of the English Language, Houghton Mifflin Company, čtvrté vydání, 2009.
- ^ Weisstein, Eric W. "Archimédova spirála". mathworld.wolfram.com. Citováno 2020-10-08.
- ^ Weisstein, Eric W. „Hyperbolická spirála“. mathworld.wolfram.com. Citováno 2020-10-08.
- ^ Kuno Fladt: Analytische Geometrie spezieller Flächen und Raumkurven, Springer-Verlag, 2013, ISBN 33228536599783322853653, S. 132
- ^ Thompson, D'Arcy (1942) [1917]. O růstu a formě. Cambridge: University Press; New York: Macmillan.
- ^ Ben Sparks. „Geogebra: Slunečnice jsou iracionálně hezké“.
- ^ Prusinkiewicz, Przemyslaw; Lindenmayer, Aristid (1990). Algoritmická krása rostlin. Springer-Verlag. str.101–107. ISBN 978-0-387-97297-8.
- ^ Thomas, Sunil (2017). „Síran draselný tvoří po rozpuštění v roztoku spirálovou strukturu“. Rus J Phys Chem B. 11: 195–198. doi:10.1134 / S1990793117010328. S2CID 99162341.
- ^ Anthony Murphy a Richard Moore, Ostrov zapadajícího slunce: Při hledání irských starověkých astronomů, 2. vydání, Dublin: The Liffey Press, 2008, str. 168-169
- ^ „Newgrange Ireland - Megalithic Passage Tomb - místo světového dědictví“. Knowth.com. 21. 12. 2007. Archivováno z původního dne 2013-07-26. Citováno 2013-08-16.
- ^ Například trislele on Achilles „kulatý štít na půdě na konci šestého století hydria na Bostonské muzeum výtvarného umění, ilustrovaný Johnem Boardmanem, Jasperem Griffinem a Oswynem Murrayem, Řecko a helénistický svět (Oxford History of the Classical World) sv. I (1988), str. 50.
- ^ „Rock Art of Latin America and The Caribbean“ (PDF). Mezinárodní rada pro památky a památky. Června 2006. str. 5. Archivováno (PDF) z původního dne 5. ledna 2014. Citováno 4. ledna 2014.
- ^ „Rock Art of Latin America and The Caribbean“ (PDF). Mezinárodní rada pro památky a památky. Června 2006. str. 99. Archivováno (PDF) z původního dne 5. ledna 2014. Citováno 4. ledna 2014.
- ^ „Rock Art of Latin America and The Caribbean“ (PDF). Mezinárodní rada pro památky a památky. Června 2006. str. 17. Archivováno (PDF) z původního dne 5. ledna 2014. Citováno 4. ledna 2014.
- ^ Jarus, Owen (14. srpna 2012). „Linky Nazca: Tajemné geoglyfy v Peru“. LiveScience. Archivováno z původního dne 4. ledna 2014. Citováno 4. ledna 2014.
- ^ Harrison, Paul. "Panteistické umění" (PDF). Světové panteistické hnutí. Citováno 7. června 2012.
- ^ Israel, Nico (2015). Spirály: vířivý obraz v literatuře a umění dvacátého století. New York Columbia University Press. 161–186. ISBN 978-0-231-15302-7.
- ^ 2012 Kus mysli Wayne A Beale
- ^ http://www.blurb.com/distribution?id=573100/#/project/573100/project-details/edit (vyžadováno předplatné)
Související publikace
- Cook, T., 1903. Spirály v přírodě a umění. Nature 68 (1761), 296.
- Cook, T., 1979. Křivky života. Dover, New York.
- Habib, Z., Sakai, M., 2005. Spirálové přechodové křivky a jejich aplikace. Scientiae Mathematicae Japonicae 61 (2), 195-206.
- Dimulyo, Sarpono; Habib, Zulfiqar; Sakai, Manabu (2009). Msgstr "Spravedlivý kubický přechod mezi dvěma kruhy, přičemž jeden kruh je uvnitř nebo tečný k druhému". Numerické algoritmy. 51 (4): 461–476. doi:10.1007 / s11075-008-9252-1. S2CID 22532724.
- Harary, G., Tal, A., 2011. Přírodní 3D spirála. Fórum počítačové grafiky 30 (2), 237 - 246 [1].
- Xu, L., Mold, D., 2009. Magnetické křivky: estetické křivky řízené zakřivením pomocí magnetických polí. In: Deussen, O., Hall, P. (Eds.), Computational Aesthetics in Graphics, Visualization, and Imaging. Eurografická asociace [2].
- Wang, Yulin; Zhao, Bingyan; Zhang, Luzou; Xu, Jiachuan; Wang, Kanchang; Wang, Shuchun (2004). "Navrhování férových křivek pomocí monotónních zakřivení". Počítačem podporovaný geometrický design. 21 (5): 515–527. doi:10.1016 / j.cagd.2004.04.001.
- Kurnosenko, A. (2010). "Uplatnění inverze na konstrukci rovinných, racionálních spirál, které uspokojí dvoubodová data G2 Hermita". Počítačem podporovaný geometrický design. 27 (3): 262–280. arXiv:0902.4834. doi:10.1016 / j.cagd.2009.12.004.
- A. Kurnosenko. Dvoubodová interpolace G2 Hermite se spirálami inverzí hyperboly. Computer Aided Geometric Design, 27 (6), 474–481, 2010.
- Miura, K.T., 2006. Obecná rovnice estetických křivek a její afinita k sobě samému. Počítačem podporovaný design a aplikace 3 (1–4), 457–464 [3].
- Miura, K., Sone, J., Yamashita, A., Kaneko, T., 2005. Odvození obecného vzorce estetických křivek. In: 8. mezinárodní konference o lidech a počítačích (HC2005). Aizu-Wakamutsu, Japonsko, s. 166-171 [4].
- Meek, D.S .; Walton, D.J. (1989). „Použití spirál Cornu při kreslení rovinných křivek řízeného zakřivení“. Journal of Computational and Applied Mathematics. 25: 69–78. doi:10.1016/0377-0427(89)90076-9.
- Thomas, Sunil (2017). „Síran draselný tvoří po rozpuštění v roztoku spirálovou strukturu“. Ruský žurnál fyzikální chemie B. 11: 195–198. doi:10.1134 / S1990793117010328. S2CID 99162341.
- Farin, Gerald (2006). "Třídy a Bézierovy křivky". Počítačem podporovaný geometrický design. 23 (7): 573–581. doi:10.1016 / j.cagd.2006.03.004.
- Farouki, RT, 1997. Pythagorovo-hodografové kvintické přechodové křivky monotónního zakřivení. Počítačem podporovaný design 29 (9), 601–606.
- Yoshida, N., Saito, T., 2006. Interaktivní segmenty estetické křivky. Vizuální počítač 22 (9), 896–905 [5].
- Yoshida, N., Saito, T., 2007. Kvaziestetické křivky v racionálních kubických Bézierových formách. Počítačem podporovaný design a aplikace 4 (9–10), 477–486 [6].
- Ziatdinov, R., Yoshida, N., Kim, T., 2012. Analytické parametrické rovnice logicko-estetických křivek z hlediska neúplných gama funkcí. Počítačem podporovaný geometrický design 29 (2), 129—140 [7].
- Ziatdinov, R., Yoshida, N., Kim, T., 2012. Přizpůsobení multispirální přechodové křivky spojující dvě přímé linie, Computer-Aided Design 44 (6), 591—596 [8].
- Ziatdinov, R., 2012. Rodina superspirál s úplně monotónním zakřivením daným Gaussovou hypergeometrickou funkcí. Computer Aided Geometric Design 29 (7): 510—518, 2012 [9].
- Ziatdinov, R., Miura K.T., 2012. O rozmanitosti rovinných spirál a jejich aplikacích v počítačovém designu. Evropský výzkumný pracovník 27 (8-2), 1227—1232 [10].
externí odkazy
- Jamnitzer -Galerie: 3D-spirály
- SpiralZoom.com, vzdělávací web o vědě o formování vzorů, spirálech v přírodě a spirálách v mýtické představivosti.
- Spirály od Jürgena Köllera
- Spirály - sbírka Encyclopedia of Life s ukázkami spirál v přírodě.
- Archimédova spirála se transformuje na Galileovu spirálu. Michail Gaichenkov, OEIS
- Vzdělávací web spojující spirály s přírodou, uměním a vzory.
- Texto en Espiral