摆线
在数学中,摆线(Cycloid)被定义为,一个圆沿一条直线运动时,圆边界上一定点所形成的轨迹。它是一般旋轮线的一种1。
摆线也是最速降线问题和等时降落问题的解。
基本信息
- 中文名
摆线
- 外文名
cycloid
- 应用学科
数学
- 别称
旋轮线、圆滚线
- 方程
x=r*(t-sint); y=r*(1-cost)
- 来源
C·鲍威尔的一本书
- 时间
1501年
别称
一个圆在一条定直线上滚动时,圆周上一个定点的轨迹,又称圆滚线、旋轮线。
圆上定点的初始位置为坐标原点,定直线为x轴。当圆滚动j 角以后,圆上定点从 O 点位置到达P点位置。当圆滚动一周,即 j从O变动2π时,动圆上定点描画出摆线的第一拱。再向前滚动一周, 动圆上定点描画出第二拱,继续滚动,可得第三拱,第四拱……,所有这些拱的形状都是完全相同的 ,每一拱的拱高为2a(即圆的直径),拱宽为2πa(即圆的周长)。
性质
到17 世纪,人们发现摆线具有如下性质:
1.它的长度等于旋转圆直径的 4 倍。尤为令人感兴趣的是,它的长度是 一个不依赖于π的有理数。
2.在弧线下的面积,是旋转圆面积的三倍。
3.圆上描出摆线的那个点,具有不同的速度——事实上,在特定的地方它甚至是静止的。
4.当弹子从一个摆线形状的容器的不同点放开时,它们会同时到达底部。
方程式
x=r*(t-sint); y=r*(1-cost)r为圆的半径, t是圆的半径所经过的弧度(滚动角),当t由0变到2π时,动点就画出了摆线的一支,称为一拱。
历史
摆线最早出现可见于公元 1501 年出版的 C·鲍威尔的一本书中.但在 17 世 纪,大批卓越的数学家(如伽利略,帕斯卡,托里拆利,笛卡儿,费尔马, 伍任,瓦里斯,惠更斯,约翰·伯努利,莱布尼兹,牛顿等等)热心于研究这一曲线的性质.17 世纪是人们对数学力学和数学运动学爱好的年代,这能解释人们为什么对摆线怀有强烈的兴趣。在这一时期,伴随着许多发现,也出现了众多有关发现权的争议,剽窃的指责,以及抹煞他人工作的现象。这样,作为一种结果,摆线被贴上了引发争议的“金苹果”和“几何的海伦” 的标签。
摆线的研究最初开始于库萨的尼古拉,之后马兰·梅森也有针对摆线的研究。1599年伽利略为摆线命名。1634年吉勒斯·德·罗贝瓦勒指出摆线下方的面积是生成它的圆面积的三倍。1658年克里斯多佛·雷恩也向人们指出摆线的长度是生成它的圆直径的四倍。在这一时期,伴随着许多发现,也出现了众多有关发现权的争议,甚至抹杀他人工作的现象,而因此摆线也被人们称作“几何学中的海伦”(The Helen of Geometers)2。