Кривая или линия - геометрическое понятие, определяемое в разных разделах различно.

КРИВАЯ (линия), след, оставленный движущейся точкой или телом. Обычно кривую представляют лишь как плавно изгибающуюся линию, вроде параболы или окружности. Но математическое понятие кривой охватывает и прямую, и фигуры, составленные из отрезков прямых, например, треугольник или квадрат.

Кривые можно разделить на плоские и пространственные. Плоская кривая, например, парабола или прямая, образуется при пересечении двух плоскостей или плоскости и тела и поэтому целиком лежит в одной плоскости. Пространственную кривую, например, винтовую линию, имеющую форму спиральной пружины, нельзя получить как пересечение какой-нибудь поверхности или тела с плоскостью, и она не лежит в одной плоскости. Кривые можно также подразделить на замкнутые и открытые. Замкнутая кривая, например квадрат или окружность, не имеет концов, т.е. движущаяся точка, порождающая такую кривую, периодически повторяет свой путь.

Кривая есть геометрическое место, или множество, точек, удовлетворяющих некоторому математическому условию или уравнению.

Например, окружность – это геометрическое место точек плоскости, равноудаленных от данной точки. Кривые, определяемые алгебраическими уравнениями, называются алгебраическими кривыми.

Например, уравнение прямой y = mx + b, где m – угловой коэффициент, а b – отрезок, отсекаемый на оси y, – алгебраическое.

Кривые, уравнения которых содержат трансцендентные функции, например, логарифмы или тригонометрические функции, называются трансцендентными кривыми.

Например, y = log x и y = tg x – уравнения трансцендентных кривых.

Форму алгебраической кривой можно определить по степени ее уравнения, которая совпадает с наивысшей степенью членов уравнения.

Если уравнение первой степени, например Ax + By + C = 0, то кривая имеет форму прямой.

Если уравнение второй степени, например,

Ax 2 + By + C = 0 или Ax 2 + By 2 + C = 0, то кривая квадратична, т.е. представляет собой одно из конических сечений; к числу таких кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы и окружности.

Перечислим общие формы уравнений конических сечений:

x 2 + y 2 = r 2 - окружность,

x 2 /a 2 + y 2 /b 2 = 1 - эллипс,

y = ax 2 - парабола,

x 2 /a 2 – y 2 /b 2 = 1 - гипербола.

Кривые, соответствующие уравнениям третьей, четвертой, пятой, шестой и т.д. степеней, называются кривыми третьего, четвертого, пятого, шестого и т.д. порядка. Как правило, чем выше степень уравнения, тем больше изгибов будет у открытой кривой.

Многие сложные кривые получили специальные наименования.

Циклоидой называется плоская кривая, описываемая фиксированной точкой окружности, катящейся по прямой, называемой образующей циклоиды; циклоида состоит из серии повторяющихся дуг.

Эпициклоида – это плоская кривая, описываемая фиксированной точкой окружности, катящейся по другой неподвижной окружности вне ее.

Гипоциклоидой называется плоская кривая, описываемая фиксированной точкой окружности, катящейся изнутри по неподвижной окружности.

Спиралью называется плоская кривая, которая виток за витком раскручивается от неподвижной точки (или накручивается на нее).

Математики занимались изучением свойств кривых с глубокой древности, и названия многих необычных кривых связаны с именами тех, кто впервые их исследовал. Таковы, например, спираль Архимеда, локон Аньези, циссоида Диоклеса, кохоида Никомеда и лемниската Бернулли.

В рамках элементарной геометрии понятие кривой не получает отчётливой формулировки и иногда определяется как «длина без ширины» или как «граница фигуры». По существу в элементарной геометрии изучение кривых сводится к рассмотрению примеров (, , , и др.). Не располагая общими методами, элементарная геометрия довольно глубоко проникла в изучение свойств конкретных кривых (, некоторые и также ), применяя в каждом случае специальные приёмы.

Чаще всего кривая определяется как непрерывное отображение из отрезка в :

При этом, кривые могут быть различными, даже если их совпадают. Такие кривые называют параметризованными кривыми или, если [ a , b ] = , путями .

Иногда кривая определяется с точностью до , то есть с точностью до минимального отношения эквивалентности такого что параметрические кривые

эквивалентны, если существует непрерывная (иногда неубывающая) h из отрезка [a 1 ,b 1 ] на отрезок [a 2 ,b 2 ], такая что

Определяемые этим отношением называются или просто кривыми.

Аналитические определения

В курсах аналитической геометрии доказывается, что среди линий, записываемых в декартовых прямоугольных (или даже в общих аффинных) координатах общим уравнением второй степени

Ax 2 + 2Bxy + Cy 2 + 2Dx + 2Ey + F = 0

(где хотя бы один из коэффициентов A, B, C отличен от нуля) встречаются лишь следующие восемь типов линий:

а) эллипс;

б) гипербола;

в) парабола (невырожденные кривые второго порядка);

г) пара пересекающихся прямых;

д) пара параллельных прямых;

е) пара совпавших прямых (одна прямая);

ж) одна точка (вырожденные линии второго порядка);

з) "линия", совсем не содержащая точек.

Обратно, любая линия каждого из указанных восьми типов записывается в декартовых прямоугольных координатах некоторым уравнением второго порядка. (В курсах аналитической геометрии обычно говорят о девяти (а не о восьми) типах конических сечений, поскольку там различают "мнимый эллипс" и "пару мнимых параллельных прямых", - геометрически эти "линии" одинаковы, поскольку обе не содержат ни одной точки, но аналитически они записываются разными уравнениями.) Поэтому (вырожденные и невырожденные) конические сечения можно определить также как линии второго порядка.

В кривая на плоскости определяется как множество точек, координаты которых удовлетворяют уравнению F ( x , y ) = 0 . При этом на функцию F накладываются ограничения, которые гарантируют, что это уравнение имеет бесконечное множество несовпадающих решений и

это множество решений не заполняет «куска плоскости».

Алгебраические кривые

Важный класс кривых составляют те, для которых функция F ( x , y ) есть от двух переменных. В этом случае кривая, определяемая уравнением F ( x , y ) = 0 , называется .

Алгебраические кривые, задаваемые уравнением 1-й степени, суть .

Уравнение 2-й степени, имеющее бесконечное множество решений, определяет , то есть вырожденные и невырожденные .

Примеры кривых, задаваемых уравнениями 3-ей степени: , .

Примеры кривых 4-ой степени: и .

Пример кривой 6-ой степени: .

Пример кривой, определяемой уравнением чётной степени: (многофокусная) .

Алгебраические кривые, определяемые уравнениями высших степеней, рассматриваются в . При этом большую стройность приобретает их теория, если рассмотрение ведется на . В этом случае алгебраическая кривая определяется уравнением вида

F ( z 1 , z 2 , z 3 ) = 0 ,

где F - многочлен трех переменных, являющихся точек.

Типы кривых

Плоская кривая - кривая, все точки которой лежат в одной плоскости.

(простая линия или жорданова дуга, также контур) - множество точек плоскости или пространства, находящихся во взаимно однозначном и взаимно непрерывном соответствии с отрезками прямой.

Путь - отрезка в .

аналитические кривые, не являющиеся алгебраическими. Более точно - кривые, которые можно задать через линию уровня аналитической функции (или, в многомерном случае, системы функций).

Синусоида,

Циклоида,

Спираль Архимеда,

Трактриса,

Цепная линия,

Гиперболическая спираль и др.

1. Способы задания кривых:

аналитический – кривая задана математическим уравнением;

графический – кривая задана визуально на носителе графической информации;

табличный – кривая задана координатами последовательного ряда точек.

параметрический (наиболее общий способ задать уравнение кривой) :

где - гладкие функции параметра t , причем

(x ") 2 + (y ") 2 + (z ") 2 > 0 (условие регулярности).

Часто удобно использовать инвариантную и компактную запись уравнения кривой с помощью :

где в левой части стоит точек кривой, а правая определяет его зависимость от некоторого параметра t . Раскрыв эту запись в координатах, мы получаем формулу (1).

1. Циклоида.

История исследования циклоиды связана с именами таких великих учёных, философов, математиков и физиков, как Аристотель, Птолемей, Галилей, Гюйгенс, Торричелли и др.

Циклоида (от κυκλοειδής - круглый) - , которую можно определить как траекторию точки, лежащей на границе круга, катящегося без скольжения по прямой. Эту окружность называют порождающей.

Одним из древнейших способов образования кривых является кинематический способ, при котором кривая получается как траектория движения точки. Кривая, которая получается как траектория движения точки, закрепленной на окружности, катящейся без скольжения по прямой, по окруж­ности или другой кривой, называется циклоидальной, что в переводе с греческого языка означает кругообразная, напоминающая о круге.

Рассмотрим сначала случай, когда окружность катится по прямой. Кривая, которую описывает точка, закрепленная на окружности, катящейся без скольжения по прямой линии, называется циклоидой.

Пусть окружность радиуса R катится по прямой а. С – точка, закрепленная на окружности, в начальный момент времени находящаяся в по­ложении А (рис. 1). Отложим на прямой а отрезок АВ, равный длине окружности, т.е. АВ = 2 π R. Разделим этот отрезок на 8 равных частей точками А1, А2, ..., А8 = В.

Ясно, что когда окружность, катясь по прямой а, сделает один оборот, т.е. повернется на 360, то она займет положение (8), а точка С переместится из положения А в положение В.

Если окружность сделает половину полного оборота, т.е. повернется на 180, то она займет положение (4), а точка С переместится в самое верхнее положение С4.

Если окружность повернется на угол 45, то окружность переместится в положение (1), а точка С переместится в положение С1.

На рисунке 1 показаны также другие точки циклоиды, соответствующие оставшимся углам поворота окружности, кратным 45.

Соединяя плавной кривой построенные точки, получим участок циклоиды, соответствующий одному полному обороту окружности. При следующих оборотах будут получаться такие же участки, т.е. циклоида будет состоять из периодически повторяющегося участка, называемого аркой циклоиды.

Обратим внимание на положение касательной к циклоиде (рис. 2). Если велосипедист едет по мокрой дороге, то оторвавшиеся от колеса капли будут лететь по касательной к циклоиде и при отсутствии щитков могут забрызгать спину велосипедиста.

Первым, кто стал изучать циклоиду, был Галилео Галилей (1564 – 1642). Он же придумал и ее название.

Свойства циклоиды:

Циклоида обладает целым рядом замечательных свойств. Упомянем о некоторых из них.

Свойство 1. (Ледяная гора.) В 1696 году И.Бернулли поставил задачу о нахождении кривой наискорейшего спуска, или, иначе говоря, задачу о том, какова должна быть форма ледяной горки, чтобы, скатываясь по ней, совершить путь из начальной точки А в конечную точку В за кратчайшее время (рис. 3, а). Искомую кривую назвали "брахистохроной", т.е. кривой кратчайшего времени.

Ясно, что кратчайшим путем из точки A в точку B является отрезок AB. Однако при таком прямолинейном движении скорость набирается медленно и затраченное на спуск время оказывается большим (рис. 3, б).

Скорость набирается тем быстрее, чем круче спуск. Однако при крутом спуске удлиняется путь по кривой и тем самым увеличивается время его прохождения.

Среди математиков, решавших эту задачу, были: Г.Лейбниц, И.Ньютон, Г.Лопиталь и Я.Бернулли. Они доказали, что искомой кривой является перевернутая циклоида (рис. 3, а). Методы, развитые этими учеными при решении задачи о брахистохроне, положили начало новому направлению математики - вариационному исчислению.

Свойство 2. (Часы с маятником.) Часы с обычным маятником не могут идти точно, поскольку период колебаний маятника зависит от его амплитуды: чем больше амплитуда, тем больше период. Голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629 – 1695) задался вопросом, по какой кривой должен двигаться шарик на нитке маятника, чтобы период его колебаний не зависел от амплитуды. Заметим, что в обычном маятнике кривой, по которой движется шарик, является окружность (рис. 4).

Искомой кривой оказалась перевернутая циклоида. Если, например, в форме перевернутой циклоиды изготовить желоб и пустить по нему шарик, то период движения шарика под действием силы тяжести не будет зависеть от начального его положения и от амплитуды (рис. 5). За это свойство циклоиду называют также "таутохрона" – кривая равных времен.

Гюйгенс изготовил две деревянные дощечки с краями в форме циклоиды, ограничивающие движение нити слева и справа (рис. 6). При этом сам шарик будет двигаться по перевернутой циклоиде и, таким образом, период его колебаний не будет зависеть от амплитуды.

Из этого свойства циклоиды, в частности следует, что независимо от того, с какого места ледяной горки в форме перевернутой циклоиды мы начнем спуск, на весь путь до конечной точки мы затратим одно и то же время.

Уравнение циклоиды

1.Уравнение циклоиды удобно записывать через α – угол поворота окружности, выраженный в радианах, заметим, что α также равняется пути, пройденному производящей окружностью по прямой.

x=rα – r sin α

y=r – r cos α

2.Примем горизонтальную ось координат в качестве прямой, по которой катится производящая окружность радиуса r .

Циклоида описывается параметрическими уравнениями

x = rt – r sin t ,

y = r – r cos t .

Уравнение в :

Циклоида может быть получена как решение дифференциального уравнения:

Из истории о циклоиде

Первым из учёных обратил внимание на циклоиду в , но серьёзное исследование этой кривой началось только в .

Первым, кто стал изучать циклоиду, был Галилео Галилей (1564-1642) – знаменитый итальянский астроном, физик и просветитель. Он же придумал название «циклоида», что значит: «напоминающая о круге». Сам Галилей о циклоиде ничего не писал, но о его работах в этом направлении упоминают ученики и последователи Галилея: Вивиани, Торичелли и другие. Торичелли – известный физик, изобретатель барометра – уделял немало времени и математике. В эпоху Возрождения не было узких ученых-специалистов. Талантливый человек занимался и философией, и физикой, и математикой и всюду получал интересные результаты и делал крупные открытия. Немного позже итальянцев за циклоиду принялись французы, назвавшие её «рулеттой» или «трохоидой». В 1634 году Роберваль – изобретатель известной системы весов системы весов – вычислил площадь, ограниченную аркой циклоиды и её основанием. Содержательное исследование циклоиды провёл современник Галилея . Среди , то есть кривых, уравнение которых не может быть записано в виде от x , y , циклоида - первая из исследуемых.

Писал о циклоиде:

Рулетта является линией столь обычной, что после прямой и окружности нет более часто встречающейся линии; она так часто вычерчивается перед глазами каждого, что надо удивляться тому, как не рассмотрели её древние… ибо это не что иное, как путь, описываемый в воздухе гвоздём колеса.

Новая кривая быстро завоевала популярность и подверглась глубокому анализу, в котором участвовали , , Ньютон, , братья Бернулли и другие корифеи науки XVII-XVIII веков. На циклоиде активно оттачивались методы появившегося в те годы . Тот факт, что аналитическое исследование циклоиды оказалось столь же успешным, как и анализ алгебраических кривых, произвёл большое впечатление и стал важным аргументом в пользу «уравнения в правах» алгебраических и трансцендентных кривых. Эпициклоида

Некоторые виды циклоид

Эпициклоида - траектория точки А, лежащей на окружности диаметра D, которая катится без скольжения по направляющей окружности радиуса R (касание внешнее).

Построение эпициклоиды выполняется в следующей последовательности:

Из центра 0 проводят вспомогательную дугу радиусом равным 000=R+r;

Из точек 01, 02, ...012, как из центров, проводят окружности радиуса r до пересечения с вспомогательными дугами в точках А1, А2, ... А12, которые принадлежат эпициклоиде.

Гипоциклоида

Гипоциклоида - траектория точки А, лежащей на окружности диаметра D, которая катится без скольжения по направляющей окружности радиуса R (касание внутреннее).

Построение гипоциклоиды выполняется в следующей последовательности:

Производящую окружность радиуса r и направляющую окружность радиуса R проводят так, чтобы они касались в точке А;

Производящую окружность делят на 12 равных частей, получают точки 1, 2, ... 12;

Из центра 0 проводят вспомогательную дугу радиусом равным 000=R-r;

Центральный угол a определяют по формуле a =360r/R.

Делят дугу направляющей окружности, ограниченную углом a, на 12 равных частей, получают точки 11, 21, ...121;

Из центра 0 через точки 11, 21, ...121 проводят прямые до пересечения с вспомогательной дугой в точках 01, 02, ...012;

Из центра 0 проводят вспомогательные дуги через точки деления 1, 2, ... 12 производящей окружности;

Из точек 01, 02, ...012, как из центров, проводят окружности радиуса r до пересечения с вспомогательными дугами в точках А1, А2, ... А12, которые принадлежат гипоциклоиде.

1. Кардиоида.

Кардиоида ( καρδία - сердце, Кардиоида является частным случаем Термин «кардиоида» введен Кастиллоном в 1741 году.

Если взять окружность и в качестве полюса точку на ней, то кардиоиду получим только в том случае, если откладывать отрезки, равные диаметру окружности. При других величинах откладываемых отрезков конхоидами будут удлиненные или укороченные кардиоиды. Эти удлиненные и укороченные кардиоиды называются иначе улитками Паскаля.

Кардиоида имеет различные применения в технике. В форме кардиоиды делают эксцентрики, кулачки у машин. Ею пользуются иногда при вычерчивании зубчатых колес. Кроме того, она применяется в оптической технике.

Свойства кардиоиды

Кардиоида - В М на подвижной окружности будет описывать замкнутую траекторию. Эта плоская кривая называется кардиоидой.

2)Кардиоиду можно получить и другим способом. Отметим на окружности точку О и проведем из нее луч. Если от точки А пересечения этого луча с окружностью отложить отрезок АМ, по длине равный диаметру окружности, и луч вращать вокруг точки О , то точка М будет двигаться по кардиоиде.

3)Кардиоида может быть также представлена как кривая, касающаяся всех окружностей, имеющих центры на данной окружности и проходящих через ее фиксированную точку. Когда построены несколько окружностей, кардиоида оказывается построенной как бы сама собой.

4)Есть еще столь же изящный, сколь, неожиданный способ увидеть кардиоиду. На рисунке можно увидеть точечный источник света на окружности. После того как лучи света отразятся в первый раз от окружности, они идут по касательной к кардиоиде. Представьте себе теперь, что окружность – это края чашки, в одной точке ее отражается яркая лампочка. В чашку налит черный кофе, позволяющий увидеть яркие отраженные лучи. Кардиоида в результате оказывается выделенной лучами света.

1. Астроида.

Астроида (от греч. astron - звезда и eidos - вид), плоская кривая, описываемая точкой окружности, которая касается изнутри неподвижной окружности вчетверо большего радиуса и катится по ней без скольжения. Принадлежит к гипоциклоидам. Астроида - алгебраическая кривая 6-го порядка.

Астроида.

Длина всей астроиды равна шести радиусам неподвижного круга, а площадь, ею ограниченная,- трем восьмым неподвижного круга.

Отрезок касательной к астроиде, заключенный между двумя взаимно перпендикулярными радиусами неподвижного круга, проведенными в острия астроиды, равен радиусу неподвижного круга, независимо от того, как была выбрана точка.

Свойства астроиды

Имеются четыре каспа .

Длина дуги от точки с 0 до огибающей

семейства отрезков постоянной длины, концы которых расположены на двух взаимно перпендикулярных прямых.

Астроида является 6-го порядка.

Уравнения астроиды

Уравнение в декартовых прямоугольных координатах: | x | 2 / 3 + | y | 2 / 3 = R 2 / 3 параметрическое уравнение: x = Rcos 3 t y = Rsin 3 t

Способ построения астроиды

Чертим две взаимно перпендикулярные прямые и проводим ряд отрезков длиною R , концы которых лежат на этих прямых. На рисунке изображено 12 таких отрезков (включая отрезки самих взаимно перпендикулярных прямых). Чем больше проведем отрезков, тем точнее получим кривую. Построим теперь огибающую всех этих отрезков. Этой огибающей будет астроида.

1. Заключение

В работе приведены примеры задач с различными видами кривых, определяемых различными уравнениями или удовлетворяющих некоторому математическому условию. В частности циклоидальные кривые, способы их задания, различные способы построения, свойства этих кривых.

Свойства циклоидальных кривых очень часто используется в механике в зубчатых передачах, что существенно повышает прочность деталей в механизмах.

Цикломида (от греч.кхклпейдЮт -- круглый) -- плоская трансцендентная кривая. Циклоида определяется кинематически как траектория фиксированной точки производящей окружности радиуса r, катящейся без скольжения по прямой.

Уравнения

Примем горизонтальную ось координат в качестве прямой, по которой катится производящая окружность радиуса r.

· Циклоида описывается параметрическими уравнениями

Уравнение в декартовых координатах:

· Циклоида может быть получена как решение дифференциального уравнения:

Свойства

• · Циклоида -- периодическая функция по оси абсцисс, с периодом 2рr. За границы периода удобно принять особые точки (точки возврата) вида t = 2рk, где k -- произвольное целое число.
• · Для проведения касательной к циклоиде в произвольной её точке A достаточно соединить эту точку с верхней точкой производящей окружности. Соединив A с нижней точкой производящей окружности, мы получим нормаль.
• · Длина арки циклоиды равна 8r. Это свойство открыл Кристофер Рен (1658).
• · Площадь под каждой аркой циклоиды втрое больше, чем площадь порождающего круга. Торричелли уверяет, что этот факт был открыт Галилеем.
• · Радиус кривизны у первой арки циклоиды равен.

• · «Перевёрнутая» циклоида является кривой скорейшего спуска (брахистохроной). Более того, она имеет также свойство таутохронности: тяжёлое тело, помещённое в любую точку арки циклоиды, достигает горизонтали за одно и то же время.
• · Период колебанийматериальной точки, скользящей по перевёрнутой циклоиде, не зависит от амплитуды, этот факт был использован Гюйгенсом для создания точных механических часов.
• · Эволюта циклоиды является циклоидой, конгруэнтной исходной, а именно -- параллельно сдвинутой так, что вершины переходят в «острия».
• · Детали машин, которые совершают одновременно равномерное вращательное и поступательное движение, описывают циклоидальные кривые (циклоида, эпициклоида, гипоциклоида, трохоида, астроида) (ср. построение лемнискаты Бернулли).

Помни-те оран-же-вые пласт-мас-со-вые ка-та-фо-ты - све-то-от-ра-жа-те-ли, при-креп-ля-ю-щи-е-ся к спи-цам ве-ло-си-пед-но-го ко-ле-са? При-кре-пим ка-та-фот к са-мо-му обо-ду ко-ле-са и про-сле-дим за его тра-ек-то-ри-ей . По-лу-чен-ные кри-вые при-над-ле-жат се-мей-ству цик-ло-ид.

Ко-ле-со при этом на-зы-ва-ет-ся про-из-во-дя-щим кру-гом (или окруж-но-стью) цик-ло-и-ды.

Но да-вай-те вер-нём-ся в наш век и пе-ре-ся-дем на бо-лее совре-мен-ную тех-ни-ку. На пу-ти бай-ка по-пал-ся ка-му-шек, ко-то-рый за-стрял в про-тек-то-ре ко-ле-са. Про-вер-нув-шись несколь-ко кру-гов с ко-ле-сом, ку-да по-ле-тит ка-мень, ко-гда вы-ско-чит из про-тек-то-ра? Про-тив на-прав-ле-ния дви-же-ния мо-то-цик-ла или по на-прав-ле-нию?

Как из-вест-но, сво-бод-ное дви-же-ние те-ла на-чи-на-ет-ся по ка-са-тель-ной к той тра-ек-то-рии, по ко-то-рой оно дви-га-лось. Ка-са-тель-ная к цик-ло-и-де все-гда на-прав-ле-на по на-прав-ле-нию дви-же-ния и про-хо-дит через верх-нюю точ-ку про-из-во-дя-щей окруж-но-сти. По на-прав-ле-нию дви-же-ния по-ле-тит и наш ка-му-шек.

Помни-те, как Вы ка-та-лись в дет-стве по лу-жам на ве-ло-си-пе-де без зад-не-го кры-ла? Мок-рая по-лос-ка на ва-шей спине яв-ля-ет-ся жи-тей-ским под-твер-жде-ни-ем толь-ко что по-лу-чен-но-го ре-зуль-та-та.

Век XVII - это век цик-ло-и-ды. Луч-шие учё-ные изу-ча-ли её уди-ви-тель-ные свой-ства.

Ка-кая тра-ек-то-рия при-ве-дёт те-ло, дви-жу-ще-е-ся под дей-стви-ем си-лы тя-же-сти, из од-ной точ-ки в дру-гую за крат-чай-шее вре-мя ? Это бы-ла од-на из пер-вых за-дач той на-у-ки, ко-то-рая сей-час но-сит на-зва-ние ва-ри-а-ци-он-ное ис-чис-ле-ние.

Ми-ни-ми-зи-ро-вать (или мак-си-ми-зи-ро-вать) мож-но раз-ные ве-щи - дли-ну пу-ти, ско-рость, вре-мя. В за-да-че о бра-хи-сто-хроне ми-ни-ми-зи-ру-ет-ся имен-но вре-мя (что под-чёр-ки-ва-ет-ся са-мим на-зва-ни-ем: греч. βράχιστος - наи-мень-ший, χρόνος - вре-мя).

Пер-вое, что при-хо-дит на ум, - это пря-мо-ли-ней-ная тра-ек-то-рия. Да-вай-те так-же рас-смот-рим пе-ре-вёр-ну-тую цик-ло-и-ду с точ-кой воз-вра-та в верх-ней из за-дан-ных то-чек. И, сле-дуя за Га-ли-лео Га-ли-ле-ем, - чет-вер-тин-ку окруж-но-сти , со-еди-ня-ю-щую на-ши точ-ки.

По-че-му же Га-ли-лео Га-ли-лей рас-смат-ри-вал чет-вер-тин-ку окруж-но-сти и счи-тал, что это наи-луч-шая в смыс-ле вре-ме-ни тра-ек-то-рия спус-ка? Он впи-сы-вал в неё ло-ма-ные и за-ме-тил, что при уве-ли-че-нии чис-ла зве-ньев вре-мя спус-ка умень-ша-ет-ся. От-сю-да Га-ли-лей есте-ствен-ным об-ра-зом пе-ре-шёл к окруж-но-сти, но сде-лал невер-ный вы-вод, что эта тра-ек-то-рия наи-луч-шая сре-ди всех воз-мож-ных. Как мы ви-де-ли, наи-луч-шей тра-ек-то-ри-ей яв-ля-ет-ся цик-ло-и-да.

Через две дан-ные точ-ки мож-но про-ве-сти един-ствен-ную цик-ло-и-ду с усло-ви-ем, что в верх-ней точ-ке на-хо-дит-ся точ-ка воз-вра-та цик-ло-и-ды. И да-же ко-гда цик-ло-и-де при-хо-дит-ся под-ни-мать-ся, чтобы прой-ти через вто-рую точ-ку, она всё рав-но бу-дет кри-вой наи-ско-рей-ше-го спус-ка !

Ещё од-на кра-си-вая за-да-ча, свя-зан-ная с цик-ло-и-дой, - за-да-ча о та-у-то-хроне. В пе-ре-во-де с гре-че-ско-го ταύτίς озна-ча-ет «тот же са-мый», χρόνος, как мы уже зна-ем - «вре-мя».

Сде-ла-ем три оди-на-ко-вые гор-ки с про-фи-лем в ви-де цик-ло-и-ды, так, чтобы кон-цы го-рок сов-па-да-ли и рас-по-ла-га-лись в вер-шине цик-ло-и-ды . По-ста-вим три бо-ба на раз-ные вы-со-ты и да-дим от-маш-ку. Уди-ви-тель-ней-ший факт - все бо-бы при-едут вниз од-новре-мен-но !

Зи-мой Вы мо-же-те по-стро-ить во дво-ре гор-ку изо льда и про-ве-рить это свой-ство вжи-вую.

За-да-ча о та-у-то-хроне со-сто-ит в на-хож-де-нии та-кой кри-вой, что, на-чи-ная с лю-бо-го на-чаль-но-го по-ло-же-ния, вре-мя спус-ка в за-дан-ную точ-ку бу-дет оди-на-ко-вым.

Хри-сти-ан Гюй-генс до-ка-зал, что един-ствен-ной та-у-то-хро-ной яв-ля-ет-ся цик-ло-и-да.

Ко-неч-но же, Гюй-ген-са не ин-те-ре-со-вал спуск по ле-дя-ным гор-кам. В то вре-мя учё-ные не име-ли та-кой рос-ко-ши за-ни-мать-ся на-у-ка-ми из люб-ви к ис-кус-ству. За-да-чи, ко-то-рые изу-ча-лись, ис-хо-ди-ли из жиз-ни и за-про-сов тех-ни-ки то-го вре-ме-ни. В XVII ве-ке со-вер-ша-ют-ся уже даль-ние мор-ские пла-ва-ния. Ши-ро-ту мо-ря-ки уме-ли опре-де-лять уже до-ста-точ-но точ-но, но уди-ви-тель-но, что дол-го-ту не уме-ли опре-де-лять со-всем. И один из пред-ла-гав-ших-ся спо-со-бов из-ме-ре-ния ши-ро-ты был ос-но-ван на на-ли-чии точ-ных хро-но-мет-ров.

Пер-вым, кто за-ду-мал де-лать ма-ят-ни-ко-вые ча-сы, ко-то-рые бы-ли бы точ-ны, был Га-ли-лео Га-ли-лей. Од-на-ко в тот мо-мент, ко-гда он на-чи-на-ет их ре-а-ли-зо-вы-вать, он уже стар, он слеп, и за остав-ший-ся год сво-ей жиз-ни учё-ный не успе-ва-ет сде-лать ча-сы. Он за-ве-ща-ет это сы-ну, од-на-ко тот мед-лит и на-чи-на-ет за-ни-мать-ся ма-ят-ни-ком то-же лишь пе-ред смер-тью и не успе-ва-ет ре-а-ли-зо-вать за-мы-сел. Сле-ду-ю-щей зна-ко-вой фигу-рой был Хри-сти-ан Гюй-генс.

Он за-ме-тил, что пе-ри-од ко-ле-ба-ния обыч-но-го ма-ят-ни-ка, рас-смат-ри-вав-ше-го-ся Га-ли-ле-ем, за-ви-сит от из-на-чаль-но-го по-ло-же-ния, т.е. от ам-пли-ту-ды. За-ду-мав-шись о том, ка-ко-ва долж-на быть тра-ек-то-рия дви-же-ния гру-за, чтобы вре-мя ка-че-ния по ней не за-ви-се-ло от ам-пли-ту-ды, он ре-ша-ет за-да-чу о та-у-то-хроне. Но как за-ста-вить груз дви-гать-ся по цик-ло-и-де ? Пе-ре-во-дя тео-ре-ти-че-ские ис-сле-до-ва-ния в прак-ти-че-скую плос-кость, Гюй-генс де-ла-ет «щёч-ки», на ко-то-рые на-ма-ты-ва-ет-ся ве-рев-ка ма-ят-ни-ка, и ре-ша-ет ещё несколь-ко ма-те-ма-ти-че-ских за-дач. Он до-ка-зы-ва-ет, что «щёч-ки» долж-ны иметь про-филь той же са-мой цик-ло-и-ды, тем са-мым по-ка-зы-вая, что эво-лю-той цик-ло-и-ды яв-ля-ет-ся цик-ло-и-да с те-ми же па-ра-мет-ра-ми.

Кро-ме то-го, пред-ло-жен-ная Гюй-ген-сом кон-струк-ция цик-ло-и-даль-но-го ма-ят-ни-ка поз-во-ля-ет по-счи-тать дли-ну цик-ло-и-ды. Ес-ли си-нюю ни-точ-ку, дли-на ко-то-рой рав-на че-ты-рём ра-ди-у-сам про-из-во-дя-ще-го кру-га, мак-си-маль-но от-кло-нить, то её ко-нец бу-дет в точ-ке пе-ре-се-че-ния «щёч-ки» и цик-ло-и-ды-тра-ек-то-рии, т.е. в вер-шине цик-ло-и-ды-«щёч-ки». Так как это по-ло-ви-на дли-ны ар-ки цик-ло-и-ды, то пол-ная дли-на рав-на вось-ми ра-ди-у-сам про-из-во-дя-ще-го кру-га.

Хри-сти-ан Гюй-генс сде-лал цик-ло-и-даль-ный ма-ят-ник, и ча-сы с ним про-хо-ди-ли ис-пы-та-ния в мор-ских пу-те-ше-стви-ях, но не при-жи-лись. Впро-чем, так же, как и ча-сы с обыч-ным ма-ят-ни-ком для этих це-лей.

От-че-го же, од-на-ко, до сих пор су-ще-ству-ют ча-со-вые ме-ха-низ-мы с обык-но-вен-ным ма-ят-ни-ком? Ес-ли при-гля-деть-ся, то при ма-лых от-кло-не-ни-ях, как у крас-но-го ма-ят-ни-ка, «щёч-ки» цик-ло-и-даль-но-го ма-ят-ни-ка по-чти не ока-зы-ва-ют вли-я-ния. Со-от-вет-ствен-но, дви-же-ние по цик-ло-и-де и по окруж-но-сти при ма-лых от-кло-не-ни-ях по-чти сов-па-да-ют.

(в переводе с греч. кругообразный ) – плоская трансцендентная кривая, которую описывает точка окружности радиуса r , катящейся по прямой без скольжения (трансцендентной кривой называется кривая, которая в прямоугольных координатах не может быть описана алгебраическим уравнением). Ее параметрическое уравнение

x = rt – r sin t ,
y = r – r cos t

Точки пересечения циклоиды с прямой, по которой катится окружность (эта окружность называется производящей, а прямая, по которой она катится, – направляющей), называются точками возврата, а самые высокие точки на циклоиде, расположенные посредине между соседними точками возврата, называются вершинами циклоиды.

Первым изучать циклоиду начал Галилео Галилей . Длина одной арки циклоиды была определена в 1658 английским архитектором и математиком Кристофером Реном , автором проекта и строителем купола собора Святого Павла в Лондоне. Оказалось, что длина циклоиды равна 8-ми радиусам производящей окружности.
Одно из замечательных свойств циклоиды, давшее ей название – брахистохрона (от греческих слов «кратчайший» и «время) связано с решением задачи о наискорейшем спуске. Встал вопрос, какую форму надо придать хорошо отшлифованному (чтобы практически исключить трение) желобу, соединяющему две точки, чтобы шарик скатился вниз от одной точки к другой в кратчайшее время. Братья Бернулли доказали, что желоб должен иметь форму опрокинутой вниз циклоиды.

Родственные циклоиде кривые можно получить, рассматривая траектории точек, не находящихся на производящей окружности.

Пусть точка С 0 находится внутри окружности. Если провести через С 0 вспомогательную окружность с тем же центром, что и у производящей окружности, то при качении производящей окружности по прямой АВ маленькая окружность будет катиться по прямой A ´В ´, но ее качение будет сопровождаться скольжением, и точка С 0 описывает кривую, называемую укороченной циклоидой.

Аналогичным образом определяется удлиненная циклоида – это траектория точки, расположенной на продолжении радиуса производящей окружности, при этом качение сопровождается скольжением в противоположном направлении.

Циклоидальные кривые применяются при многих технических расчетах и свойства их используются, например, при построении профилей зубьев шестерен, в циклоидальных маятниках, в оптике и, таким образом, изучение этих кривых важно с прикладной точки зрения. Не менее важно и то, что, изучая эти кривые и их свойства, ученые 17 в. разрабатывали приемы, которые привели к созданию дифференциального и интегрального исчислений, а задача о брахистохроне явилась шагом к изобретению вариационного исчисления.

Елена Малишевская

Помните оранжевые пластмассовые катафоты - светоотражатели, прикрепляющиеся к спицам велосипедного колеса? Прикрепим катафот к самому ободу колеса и проследим за его траекторией. Полученные кривые принадлежат семейству циклоид. Колесо при этом называется производящим кругом (или окружностью) циклоиды. Но давайте вернёмся в наш век и пересядем на более современную технику. На пути байка попался камушек, который застрял в протекторе колеса.

Провернувшись несколько кругов с колесом, куда полетит камень, когда выскочит из протектора? Против направления движения мотоцикла или по направлению? Как известно, свободное движение тела начинается по касательной к той траектории, по которой оно двигалось. Касательная к циклоиде всегда направлена по направлению движения и проходит через верхнюю точку производящей окружности. По направлению движения полетит и наш камушек. Помните, как Вы катались в детстве по лужам на велосипеде без заднего крыла? Мокрая полоска на вашей спине является житейским подтверждением только что полученного результата.

Век XVII - это век циклоиды. Лучшие учёные изучали её удивительные свойства. Какая траектория приведёт тело, движущееся под действием силы тяжести, из одной точки в другую за кратчайшее время? Это была одна из первых задач той науки, которая сейчас носит название вариационное исчисление. Минимизировать (или максимизировать) можно разные вещи - длину пути, скорость, время. В задаче о брахистохроне минимизируется именно время (что подчёркивается самим названием: греч. βράχιστος - наименьший, χρόνος - время). Первое, что приходит на ум, - это прямолинейная траектория. Давайте также рассмотрим перевёрнутую циклоиду с точкой возврата в верхней из заданных точек. И, следуя за Галилео Галилеем, - четвертинку окружности, соединяющую наши точки. Сделаем бобслейные трассы с рассмотренными профилями и проследим, какой из бобов приедет первым. История бобслея берёт своё начало в Швейцарии. В 1924 году во французском городе Шамони проходят первые зимние Олимпийские игры. На них уже проводятся соревнования по бобслею для экипажей двоек и четвёрок.

Единственный год, когда на Олимпийских играх экипаж боба состоял из пяти человек, был 1928. С тех пор в бобслее всегда соревнуются мужские экипажи двойки и четвёрки. В правилах бобслея много интересного. Конечно же, существует ограничения на вес боба и команды, но существуют даже ограничения на материалы, которые можно использовать в коньках боба (передняя пара их подвижна и связана с рулём, задняя закреплена жёстко). Например, радий не может использоваться при изготовлении коньков.

Дадим старт нашим четвёркам. Какой же боб первым приедет к финишу? Боб зелёного цвета, выступающий за команду Математических этюдов и катившийся по циклоидальной горке, приходит первым! Почему же Галилео Галилей рассматривал четвертинку окружности и считал, что это наилучшая в смысле времени траектория спуска? Он вписывал в неё ломаные и заметил, что при увеличении числа звеньев время спуска уменьшается. Отсюда Галилей естественным образом перешёл к окружности, но сделал неверный вывод, что эта траектория наилучшая среди всех возможных. Как мы видели, наилучшей траекторией является циклоида. Через две данные точки можно провести единственную циклоиду с условием, что в верхней точке находится точка возврата циклоиды. И даже когда циклоиде приходится подниматься, чтобы пройти через вторую точку, она всё равно будет кривой наискорейшего спуска! Ещё одна красивая задача, связанная с циклоидой, - задача о таутохроне. В переводе с греческого ταύτίς означает «тот же самый», χρόνος, как мы уже знаем - «время». Сделаем три одинаковые горки с профилем в виде циклоиды, так, чтобы концы горок совпадали и располагались в вершине циклоиды. Поставим три боба на разные высоты и дадим отмашку.

Удивительнейший факт - все бобы приедут вниз одновременно! Зимой Вы можете построить во дворе горку изо льда и проверить это свойство вживую. Задача о таутохроне состоит в нахождении такой кривой, что, начиная с любого начального положения, время спуска в заданную точку будет одинаковым. Христиан Гюйгенс доказал, что единственной таутохроной является циклоида. Конечно же, Гюйгенса не интересовал спуск по ледяным горкам. В то время учёные не имели такой роскоши заниматься науками из любви к искусству. Задачи, которые изучались, исходили из жизни и запросов техники того времени. В XVII веке совершаются уже дальние морские плавания. Широту моряки умели определять уже достаточно точно, но удивительно, что долготу не умели определять совсем. И один из предлагавшихся способов измерения широты был основан на наличии точных хронометров. Первым, кто задумал делать маятниковые часы, которые были бы точны, был Галилео Галилей. Однако в тот момент, когда он начинает их реализовывать, он уже стар, он слеп, и за оставшийся год своей жизни учёный не успевает сделать часы. Он завещает это сыну, однако тот медлит и начинает заниматься маятником тоже лишь перед смертью и не успевает реализовать замысел.

Следующей знаковой фигурой был Христиан Гюйгенс. Он заметил, что период колебания обычного маятника, рассматривавшегося Галилеем, зависит от изначального положения, т.е. от амплитуды. Задумавшись о том, какова должна быть траектория движения груза, чтобы время качения по ней не зависело от амплитуды, он решает задачу о таутохроне. Но как заставить груз двигаться по циклоиде? Переводя теоретические исследования в практическую плоскость, Гюйгенс делает «щёчки», на которые наматывается веревка маятника, и решает ещё несколько математических задач. Он доказывает, что «щёчки» должны иметь профиль той же самой циклоиды, тем самым показывая, что эволютой циклоиды является циклоида с теми же параметрами. Кроме того, предложенная Гюйгенсом конструкция циклоидального маятника позволяет посчитать длину циклоиды. Если синюю ниточку, длина которой равна четырём радиусам производящего круга, максимально отклонить, то её конец будет в точке пересечения «щёчки» и циклоиды-траектории, т.е. в вершине циклоиды-«щёчки». Так как это половина длины арки циклоиды, то полная длина равна восьми радиусам производящего круга. Христиан Гюйгенс сделал циклоидальный маятник, и часы с ним проходили испытания в морских путешествиях, но не прижились. Впрочем, так же, как и часы с обычным маятником для этих целей. Отчего же, однако, до сих пор существуют часовые механизмы с обыкновенным маятником? Если приглядеться, то при малых отклонениях, как у красного маятника, «щёчки» циклоидального маятника почти не оказывают влияния. Соответственно, движение по циклоиде и по окружности при малых отклонениях почти совпадают.

Литература:
Г. Н. Берман. Циклоида. М.: Наука, 1980.
С. Г. Гиндикин. Рассказы о физиках и математиках. М.: МЦНМО, 2006.

Комментарии: 1

Владимир Захаров

Лекция академика РАН, доктора физико-математических наук, председателя научного совета РАН по нелинейной динамике, зав. Сектором математической физики в Физическом институте РАН им. Лебедева, профессора Университета Аризоны (США), дважды лауреата Государственной премии, лауреата медали Дирака Владимира Евгеньевича Захарова, прочитанной 27 мая 2010 года в Политехническом музее в рамках проекта “Публичные лекции Полит.ру”.

Сергей Куксин

Международная научная конференция «Дни классической механики» г. Москва, МИАН, ул. Губкина, д. 8 26 января 2015 г.

Хаос - математический фильм, состоящий из девяти глав, по тринадцать минут каждая. Это фильм для широкой публики, посвященный динамическим системам, эффекту бабочки и теории хаоса.

Александра Скрипченко

Математик Александра Скрипченко о биллиарде как динамической системе, рациональных углах и теореме Пуанкаре.

Юлий Ильяшенко

Теория Колмогорова–Арнольда–Мозера отвечает на вопросы типа «Могут ли планеты упасть на Солнце? Если да, то с какой вероятностью? И через какое время?» Математическая постановка задачи: предположим, что массы столь малы, что их притяжением друг к другу можно пренебречь. Тогда траектории движения планет можно посчитать; это сделал ещё Ньютон. Если перейти к реальному случаю, когда взаимное притяжение планет влияет на их орбиты, получится малое возмущение интегрируемой, т.е. точно решаемой, системы. Исследование малых возмущений интегрируемых систем классической механики Пуанкаре считал основной задачей теории дифференциальных уравнений. В лекциях будет рассказано, на уровне, доступном старшим школьникам, об основных идеях теории КАМ. Мы не поднимемся до задачи n тел и классической механики, но обсудим диффеоморфизмы окружности и основной шаг индукционного процесса, предложенного Колмогоровым для задач небесной механики.

Ольга Ромаскевич

Если поступить очень жестоко и отобрать у математика карандаш и бумагу, он будет смотреть на небо в поисках новых задач. Вопрос о движении планет (в математическом мире встречающийся под кодовым названием «Задача n тел») является чрезвычайно сложным - настолько сложным, что даже для специальных подслучаев случая n=3 каждый год публикуется огромное количество работ. Разобрать все аспекты этой задачи невозможно даже за семестровый курс. Мы, однако, не испугаемся, и попробуем поиграться в математику, которая здесь возникает. Основной мотивацией для нас будет задача двух тел: задача о движении одной планеты вокруг Солнца в предположении о том, что как будто бы никаких других планет в округе нет.

Дмитрий Аносов

В книге рассказывается о дифференциальных уравнениях. В одних случаях автор объясняет, как решаются дифференциальные уравнения, а в других-как геометрические соображения помогают понять свойства их решений. (С этим и связаны слова «то решаем, то рисуем» в названии книги.) Рассмотрено несколько физических примеров. На максимально упрощённом уровне рассказано о некоторых достижениях XX века, включая понимание механизма возникновения «хаоса» в поведении детерминированных объектов. Книга рассчитана на интересующихся математикой школьников старших классов. От них требуется лишь понимание смысла производной как мгновенной скорости.

Алексей Белов

Известна олимпиадная задача: На плоском столе лежат монеты (выпуклые фигуры). Тогда одну из них можно стащить со стола, не задевая остальных. Долгое время математики пытались доказать пространственный аналог этого утверждения, пока не был построен контрпример! Возникла идея: в малом зерне часто нет трещины, трещина за границу зерна не вырастает, а трещины друг друга держат. Эта идея теоретически позволяет создавать композиты в которых не растут трещины, в частности, броню из керамики.

Алексей Сосинский

Один из важнейших понятий механики и теоретической физики - понятие конфигурационного пространства механической системы - почему-то остается неизвестным не только школьникам, но и большинству студентов-математиков. В лекции рассмотрен очень простой, но весьма содержательный класс механических систем - плоские шарнирные механизмы с двумя степенями свободы. Мы обнаружим, что в «общем случае» их конфигурационные пространства суть двумерные поверхности, и постараемся понять - какие именно. (Здесь имеются окончательные результаты десятилетней давности Димы Звонкина.) Далее обсуждаются нерешенные математические задачи, связанные с шарнирными механизмами. (В том числе две гипотезы, а точнее - недоказанные теоремы, американского математика Билла Тёрстона.)

Владимир Протасов

Вариационное исчисление - наука о поиске минимума функции в бесконечномерном пространстве. В отличие от привычных нам задач на минимум, когда нужно оптимальным образом выбрать число (параметр), или, скажем, точку на плоскости, в вариационных задачах требуется найти оптимальную функцию. При этом, одним и тем же набором средств решаются задачи самого разного происхождения: из классической механики, геометрии, математической экономики и т.д. Мы начнем со старых задач, известных с XVII века, и, перекидывая мостки от одной задачи к другой, быстро доберемся до современных результатов и нерешенных проблем.