Episykloide

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
Episykloiden for R = 3 og r = 1 slik at R/r = 3.

Episykloide er en kurve som blir tegnet av et punkt på en sirkel som ruller på en annen sirkel som ligger fast. Hvis den bevegelige sirkelen ruller på innsiden av den faste sirkelen, beskriver det bevegte punktet en hyposykloide.

I grensen hvor den faste sirkelen blir veldig stor, vil den rullende sirkelen bevege seg på en rett linje og både episykloiden og hyposykloiden går over til å bli sykloider.

Sirkelen som roterer langs en annen sirkel, ble benyttet i gresk astronomi til å forklare planetenes bevegelse omkring Jorden i det geosentriske verdensbildet. Den blir da omtalt som en episykel og må ikke forveksles med en episykloide. Hvis både planeten og Jorden gikk rundt Solen langs sirkler i samme plan, ville den observerte banen til planeten ha vært en epitrokoide.

Matematisk beskrivelse[rediger | rediger kilde]

sketch for proof fra russisk versjon

Bevegelsen til den rullende sirkelen er enklest å beskrive i et kartesisk koordinatsystem hvor x-aksen er horisontal og y-aksen står vertikalt på denne. Den faste sirkelen med radius R  har sitt senter i origo, mens den mindre sirkelen med radius r ruller på denne motsatt motsatt en klokkeviser.

Et visst punkt P på den lille sirkelen er opprinnelig på x-aksen i punktet (R, 0), mens senteret til denne sirkelen er i (R + r, 0). Etter en rotasjon θ om origo befinner dette seg i et nytt punkt med x-koordinat (R + r )cosθ, mens y-koordinaten er økt til (R + r )sinθ. Dette skjer ved at den lille sirkelen roterer en vinkel α slik at buelengdene r = og R = forblir de samme da rullingen antas å skje uten glidning. Fra r = ℓR følger da sammenhengen

mellom disse to vinklene.[1]

Punktet P har nå x-koordinat (R + r )cosθ - r cos(θ + α), mens y-koordinaten har økt til (R + r )sinθ - r sin(θ + α). Uttrykkes her vinkelen α ved θ, har man parameterfremstillingen

av episykloiden. Her er koordinatene valgt slik at den har en spiss for θ = 0 der avstanden fra origo til det rullende punktet er R.

Når forholdet k = R/r er et heltall, vil kurven være lukket og ha k spisser. Den vil også være lukket med et visst antall spisser når k er et rasjonalt tall. Derimot vil ikke punktet P komme tilbake til utgangspunktet når denne parameteren er irrasjonal, og kurven vil fylle en del av hele planet.[2]

Både evoluten og evolventene til episykloiden kan beregnes. De er nye episykloider, men dreidd i forhold til den opprinnelige.[3].

Noen eksempler[rediger | rediger kilde]

Den enkleste episykloiden finner man for k = 1 hvor den rullende sirkelen har samme radius som den stasjonære. Dette er kardioiden eller hjertekurven med en spiss. Når k = 2, har den to spisser og kalles for en nefroide eller nyrekurve da formen ligner på en nyre. Deler av begge disse kurvene kan observeres i forskjellige brennflater som kan fremkomme som optiske effekter ved fokusering av lys.[2]

Buelengder[rediger | rediger kilde]

På samme måte som for vanlige sykloider kan arealet og buelengden til en episykloide beregnes eksakt. Denne er gitt ved

hvor de deriverte x'  = dx/ og y'  = dy/. Velges θ0 = 0, blir denne målt fra en spiss til kurven. Ved bruk av trigonometriske identiteter kan kvadratene av de to deriverte kombineres og gir

Da hver bue til kurven strekker seg over et vinkelintervall på 2π /k, vil lengden av en bue mellom to nabospisser dermed være

Hele episykloiden består av k slike like lange buer. Dens totale buelengde blir derfor 8r(k + 1).

Kompleks beskrivelse[rediger | rediger kilde]

Hvert punkt på en sirkel med radius r og med kartesiske koordinater x = r cosθ, y = r sinθ tilsvarer et punkt z = x + iy i det komplekse planet. Ved bruk av Eulers formel

kan dette skrives som z = re. Hvis vinkelen θ øker jevnt med tiden t, kan man skrive θ = ωt der ω er vinkelhastigheten.

Et punkt (x(θ), y(θ)) på den rullende sirkelen kan nå beskrives ved den komplekse koordinaten z(θ) = x(θ) + iy(θ) som blir

Det første leddet her representerer senteret til den rullende sirkelen. I forhold til dette bevegelige senteret har punktet P fått den komplekse koordinaten re hvor vinkelen φ = π + α + θ der α + θ = (1 + R/r)θ. Minustegnet foran dette andre leddet skyldes at e = - 1 som er Eulers likhet.[2]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ R. Tambs Lyche, Matematisk Analyse I, Gyldendal Norsk Forlag, Oslo (1961).
  2. ^ a b c C.G. Gibson, Elementary Geometry of Differentiable Curves, Cambridge University Press, England (2001). ISBN 0-521-01107-8.
  3. ^ D.J. Struik, Lectures on Classical Differential Geometry, Dover Publications, New York (1988). ISBN 0-486-65609-8.

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]