Цепная линия график. Прелести цепной линии. Линия Чингисхана-Грозного, или линия сердца

Глава 2 Линия смерти и линия жизни 1. Тайные надеждыВсе, кто изучал судьбы жриц любви, приходили к однозначному выводу: каждая из «падших женщин» – глубоко несчастный человек. Судьбы жриц любви трагичны, ибо каждая из них сознает, что она идет по линии смерти. Одна из моих

Линия головы, или главная линия

Линия головы, или главная линия Длина, толщина, ясность и цвет этой линии дают нам количество и степень ума, остроумия, доверия к самому себе, энергии и осмотрительности.Относительно значения того обстоятельства, соединяются или нет линия головы с линией жизни в своём

Линия сердца, или линия счастья

Линия сердца, или линия счастья Эта линия относится к душевным и сердечным обстоятельствам людей; по её форме определяются привязанность, степень самоотверженности, сила решений и предприятий.Если она в форме незначительных дуг тянется от холма Юпитера до края малого

Линия Сатурна, или линия судьбы

Линия Сатурна, или линия судьбы К линии Сатурна относится всё, что от рождения воспринимается как бессознательно давящая и увлекающая причина.При линии судьбы важно обратить внимание, где она начинается на руке. Это может быть в четырёх точках, а именно:а) у линии

Введение

В качестве темы исследовательской работы мной была выбрана следующая: «Цепная линия». Кривая цепная линия очень интересна для изучения, однако не так уж просто найти литературу посвященную ей.

Исследованием этой линии занимались ученые очень давно. Однако даже в наше время она используется при решении ряда задач не только в математике, но и физике, архитектуре и многих других дисциплин. По моему мнения, данная тема является интересной и актуальной.

Изучением цепной линии занимались такие ученые, как Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс, Готфрид Вильгельм Лейбниц, Иоганн Бернули и др.

Целью данной исследовательской работы является описание основных свойств цепной линии.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать научную и учебную литературу по теме исследования с целью выделения основных понятий и утверждений;

2. Систематизировать и обобщить материал по теме исследования с целью выделения групп свойств цепной линии;

3. Доказать необходимые утверждения в теме исследования;

4. Установить связь темы исследования и курса дифференциальной геометрии;

5. Разработать компьютерную презентацию на тему: «Цепная линия».

Основным методом исследования стал теоретический анализ

литературы в рамках исследования;

Практическая значимость определяется возможностью использования результатов данного исследования в учебном процессе в рамках дисциплин «Геометрия» и «Дифференциальная геометрия».

1.Исторические сведение

В книге Галилея “Беседы и математические доказательства…”, напечатанной впервые на итальянском языке в голландском городе Лейдене в 1638г., предлагался, между прочим, такой способ построения параболы: “Вобьём в стену два гвоздя на одинаковой высоте над горизонтом и на таком расстоянии друг от друга, чтобы оно равнялось двойной ширине прямоугольника, на котором желательно построить полупараболу; между одним и другим гвоздём подвесим тонкую цепочку, которая свешивалась бы вниз и была такой длины, чтобы самая низкая точка её находилась от уровня гвоздя на расстоянии, равном высоте прямоугольника. Цепочка эта, свисая, расположится в виде параболы(рис. 1), так что, отметив её след на стене пунктиром, мы получим параболу, рассекаемую пополам перпендикуляром, проведённым через середину линии, соединяющей оба гвоздя”.

Рис.1
Способ этот прост и нагляден, но не точен. Это понимал и сам Галилей. На самом деле, если параболу построить по всем правилам, то между нею и цепочкой обнаружатся зазоры.
Только через полвека после выхода книги Галилея старший из двух братьев-математиков Бернулли - Якоб нашёл чисто теоретическим путём точную формулу провисающей цепочки. Не спеша сообщать своё решение задачи, он бросил вызов другим математикам. Правильное решение опубликовали уже в следующем 1691г. Христиан Гюйгенс, Готфрид Вильгельм Лейбниц и младший брат Якоба - Иоганн Бернулли. Все они пользовались для решения задачи, во-первых, законами механики, а во-вторых, могучими средствами недавно разработанного тогда математического анализа - производной и интегралом.
Гюйгенс назвал кривую, по которой располагается цепочка, подвешенная за два конца, цепной линией.
Так как цепочки бывают разной длины, да и концы их могут подвешиваться на разных расстояниях друг от друга - то ближе, то дальше, то и цепных линий существует не одна, а много. Но все они подобны между собой, как, например, подобны между собой любые окружности.

2. Понятие цепной линии и её уравнение

Определение 1. Цепной линией называется плоская кривая, форма которой соответствует однородной гибкой нерастяжимой тяжелой нити, закрепленной в обоих концах и провисающей под действием силы тяжести.
Цепная линия по форме напоминает параболу.

Так считалось долгое время. В начале 17 века Галилео Галилей высказал сомнение, что висящая цепь в действительности является параболой. Однако строгое доказательство и точный вывод были получены лишь полвека спустя − после того, как Исаак Ньютон Готфрид Вильгельм Лейбниц разработали основы математического анализа.

Решение задачи о цепной линии было опубликовано в 1691 году Христианам Гюйгенсом , Готфридом Вильгельмом Лейбницем и Иоганном Бернулли .

Ниже мы рассмотрим вывод уравнения цепной линии и некоторые его вариации.

Пусть тяжелая однородная нить подвешена в точках А, В , которые могут находиться на разной высоте (рис.1.2).

Рассмотрим равновесие произвольного малого элемента нити длиной Δ s .

На этот элемент действуют распределенная сила тяжести , где − объемная плотность материала нити, − ускорение свободного падения, A − площадь поперечного сечения нити, и силы натяжения T ( x ) и T ( x+ Δ x ), соответственно, вточках x и ( x+ Δ x ).

Условия равновесия выделенного элемента длиной Δ s в проекциях на оси Ox и Oy записываются в виде:

.

Из первого уравнения видно, что горизонтальная компонента силы натяжения T ( x ) всегда постоянна:

Переходя во втором уравнении к дифференциалам, можно записать его в виде:

.

Поскольку , то получаем

или.

Учтем, что, так что уравнение равновесия записывается в дифференциальном виде как

Элемент длины Δ s можно выразить по формуле

В результате получаем дифференциальное уравнение цепной линии :

или.

Это уравнение допускает понижение порядка. Обозначив y" = z , представим его в виде уравнения первого порядка:

Последнее уравнение решается методом разделения переменных.

Здесь мы обозначили через 1/ a .
Касательная к цепной линии в нижней точке параллельна оси Ox . Следовательно,

Отсюда определим константу C 1 :

Итак, мы имеем следующее уравнение:

Умножим обе части данного уравнения на сопряженное выражение

Получаем:

Складывая с предыдущим уравнением, находим выражение для z = y" :

Интегрируем еще раз и получаем окончательное красивое выражение для формы цепной линии:

Итак, цепная линия описывается гиперболическим косинусом . Ее форма однозначно определяется параметром, зависимость от которого показана на рис.1.3.

Рис.1.3

3. Свойства цепной линии

1. Длина дуги (приложение 1) цепной линии от ее вершины до некоторой точки равна проекции ординаты этой точки на касательную, проведенную в этой точке.

Доказательство:

1.Длина s дугицепной линии, отсчитываемой от вершины А, равна проекции ММ′ ординаты РМ на касательную МТ .( рис .3)

2. S== MM′= ((1) или s = a.

3. С ординатой РМ=у дуга связана соотношение. 4. Последнее вытекает из уравнения цепной линии и (1) и

легко прочитывается из треугольника РМ′М , где РМ = у , ММ′ = s и РМ′ = a (по основному свойству трактрисы).

2. Радиус кривизны (приложение 1) в произвольной точке цепной линии равен длине нормали в этой точке.

Доказательство:

1. Радиус кривизны МК = R цепной линии равен отрезку MD нормали от точки М до директрисы Х′Х и выражается формулой

R = MD =

или R = a .

3. Если цепная линия катится по прямой, то центр кривизны, соответствующий точке касания, перемещается по параболе.

Доказательство:

1. Определяя площадь, ограниченную цепной линией, двумя ее ординатами и осью абсцисс, будем иметь:

4. Площадь, ограничиваемая цепной линией, двумя ординатами и осью абсцисс, пропорциональна длине соответствующей дуги.

Доказательство:

1. Площадь S «криволинейной трапеции» OAMP ( OA = a - ордината вершины, РМ - ордината конца М дуги s = ) равна площади прямоугольника со сторонами a , s так что

S = as = .

5. Сумма кривизн цепной линии в точках, касательные в которых взаимно перпендикулярны, является для каждой цепной линии величиной постоянной.

Доказательство:

1. Пусть -точки цепной линии, касательные в которых взаимно перпендикулярны. Определяя их угловые коэффициенты, имеем

2.В силу перпендикулярности касательных (2),

но согласно S == MM ′= (= a = ,

где - длины дуг, отсчитываемые от вершины цепной линии до точек Подставляя эти выражения в равенство (2) получаем,

или,

то на основании R = a будем иметь.

6. Мыльная плёнка, натянутая на два кольца, принимает форму - поверхности, возникающей в результате вращения цепной линии.

4. Исследование цепной линии, заданной параметрически, методом дифференциальной геометрии

Любая линия в дифференциальной геометрии рассматривается в пространстве, может быть задана векторным уравнение от одного скалярного аргумента, неявного уравнения вида F ( x , y )=0, пересечением двух поверхностей, полярным уравнением.

Метод дифференциальной геометрии позволяет исследовать линию на предмет:

определение элементов сопровождающих линии трехгранника;

определение кривизны и кручения;

написание натурального уравнения линии;

вычисление длины дуги линии;

Удобнее метод дифференциальной геометрии применять к параметрическим уравнениям, линии которых непосредственно следует из векторного уравнения от одного скалярного аргумента.

Исследуем цепную линию методом дифференциальной геометрии.

Для этого:

от неявного уравнения перейдем к параметрическим;

определим параметризацию;

3) найдем базисные векторы, сопровождающего трехгранника кривой;

4) напишем уравнение элементов сопровождающего трехгранника кривой:

уравнение касательной;

уравнение нормали;

уравнение бинормали;

уравнение соприкасающейся плоскости;

уравнение нормальной плоскости;

уравнение спрямляющейся плоскости;

5) найдем кривизну и кручение цепной линии в произвольной точке;

6) напишем уравнение цепной линии в естественной параметризации.

Итак, уравнение цепной линии имеет вид

Параметрическое уравнение цепной линии.

Линия лежит в плоскости XOY , z =0 .

1.Определим, какая параметризация: естественная или произвольная.

Найдем производные по t :

.

2.Найдем векторы первой, второй и третьей производной.

3.Найдем базисные векторы сопровождающего трехгранника:

единичный вектор касательной.

Единичный вектор бинормали.

единичный вектор главной нормали.

4.Напишем уравнения элементов сопровождающего трехгранника:

a ) Уравнение касательной (приложение 1) к цепной линии в произвольной точке имеет вид:

b ) Уравнение главной нормали (приложение 1) к цепной линии в произвольной точке имеет вид:

c ) Уравнение бинормали (приложение 1) к цепной линии в произвольной точке имеет вид:

e )Уравнение соприкасающейся плоскости:

Так как z =0 , плоскость OXY - соприкасающаяся плоскость.

f ) Уравнение нормальной плоскости (приложение 1)

g ) Уравнение спрямляющей плоскости:

5.Найдем кривизну k (приложение 1) и кручение (приложение 1) :

6.Напишем уравнение цепной линии в естественной параметризации:

Таким образом, результаты исследования свойств цепной линии методами дифференциальной геометрии позволили доказать следующие свойства цепной линии как плоской линии:

Теорема 1. Соприкасающаяся плоскость плоской линии совпадает с плоскостью линии. (см. уравнение соприкасающейся плоскости цепной линии п.4(e )).

Теорема 2. Главная нормаль плоской линии лежит в плоскости линии. (см. уравнение главной нормали цепной линии п.4(b )).

Теорема 3. Кручение плоской линии во всех точках равна нулю.(см. кручение цепной линии п.5)

Докажем теорему, обратную теореме 3.

Теорема 4 . Если во всех точках гладкой линии кручение равно нулю, то линия плоская.

Доказательство:

1. Пусть в каждой точке линии γ, заданной уравнениями , ее кручение равно нулю.

2. Из последней формулы Френе следует, что где не зависит от переменной s . Тогда из тождества, отсюда или в координатах: , где , – координаты.

3. Таким образом, все точки γ лежат в плоскости, заданной уравнением. Это означает, что γ – плоская линия.

Замечание. Для плоской линии имеем х = 0 , поэтому формулы Френе принимают вид:

Результаты исследования свойств цепной линии можно отобразить в чертеже.

Oxy соприкасающаяся плоскость

нормальная плоскость

спрямляющая плоскость

5. Применение

Ворота на Запад

Неизвестно, пытался ли кто-нибудь до Гауди делать перевернутые модели будущих зданий, подвешивая грузы на нитках. Но этим способом воспользовались некоторые современные архитекторы. На берегу в городе стоит импозантная арка () высотой в 630 футов, что соответствует 192 м, символизирующая поворотный пункт в американской истории и географии. Сент-Луис в свое время соединил относительно обжитые земли к востоку от Миссисипи с дикими бескрайними пространствами Запада.

Эта арка была спроектирована одним из самых известных архитекторов США в сотрудничестве с математиком и инженером Ганнскарлом Банделем ( , 1925–1993). В каком-то смысле их судьбы схожи: и Сааринен, и Бандель родились за пределами Америки - первый в , второй - в . Потом оба пересекли океан: первый - отправляясь в 1934 году учиться, а второй - уже после войны, в поисках работы. Тут каждый из них нашел свою удачу, а оба они - друг друга.

По подсказке Банделя Сааринен выбрал для своей арки форму цепной линии, высота которой равнялась ширине у основания. Получилось красиво, хотя конструкция до какой-то степени противоречила интуиции. Ведь цепочка, будучи предоставленной сама себе, стремится занять такое положение в пространстве, чтобы ее была минимальной, то есть центр тяжести располагался предельно низко. При переворачивании низкий центр тяжести окажется высоким, а минимум энергии обернется максимумом.

Противоречие тут кажущееся. В задачу архитектора вовсе не входит достижение энергетического минимума конструкции - нужно, чтобы она была устойчивой. И хотя, безусловно, минимуму потенциальной энергии соответствует положение устойчивого равновесия, это положение не единственное. Еще одно положение равновесия соответствует максимуму потенциальной энергии, что мы и наблюдаем при перевороте цепной линии, а также при обобщении метода, использованного Гауди.

Причины равновесия можно оценить, анализируя не энергию, а распределение сил. Как известно, если удается получить информацию о силах, то картинка всегда оказывается более подробной и ясной, чем та, которую можно получить, занимаясь только энергиями. У подвешенной цепочки на каждое отдельное звено действуют три силы: сила тяжести и сила упругих деформаций со стороны двух ближайших соседей. Равновесие достигается в том случае, когда сумма всех трех сил равна нулю.

Подвижность цепочки гарантирует, что упругие силы на концах каждого звена лишь растягивают его, то есть всегда направлены по касательной к линии.

Разумеется, ничего не изменится, если вместо цепочки подвесить твердую арку той же формы: напряжения, вызываемые в ней силой тяжести, будут распределены так, что силы всегда будут действовать по касательной.

Они будут растягивать арку, но нигде не будут пытаться ее сломать. Если теперь арку перевернуть, то опять почти ничего не изменится. Всего лишь растяжение сменится сжатием, однако действовать оно в каждой точке арки будет только по касательной. Или, что то же самое, нагрузка на поперечном сечении, проведенном в произвольной точке арки, будет перпендикулярна плоскости сечения. Особенно странно этот вывод выглядит для самой верхней точки: площадка поперечного сечения там вертикальна, и сила, действующая на нее, перпендикулярна силе тяжести.

На каждое звено цепи действует по три силы: натяжение со стороны соседей и сила тяжести. При уменьшении размеров звена,

сила тяжести стремится к нулю, а силы натяжения к нулю не стремится, они просто становятся параллельными друг другу.

имеет форму, близкую к цепной линии. Стоит заметить, что цепь ближе к , чем к цепной линии. Это связано с тем, что пролёт моста намного тяжелее цепи.

Заключение

Основной целью работы была цель изучить свойства цепной линии.

Для реализации поставленной цели было выполнено следующее: проанализирована научная и учебная литература и выделены основные понятия и утверждения; выделены группы свойств; доказаны теоремы и утверждения в теме исследования; исследованы свойства цепной линии методами дифференциальной геометрии.

Подводя итоги работы, можно отметить, что цель достигнута, а задачи реализованы в соответствующих параграфах работы.

Материал, изложенный в данной работе, может быть использован как студентами в учебном процессе в рамках дисциплин «Геометрия» и «Дифференциальная геометрия», а также школьниками в учебном процессе в рамках элективных курсов по математике.

Список использованной литературы

Выгодский М.Я. Справочник по высшей математики.§517. М.:АСТ: Астель, 2006.

Галилей Галилео. Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению синьора Г.Галилея Линчео, философа и первого математика светлейшего великого Герцога Тосканского. С приложением о центрах тяжести различных тел. – Л.: Гостехизд., 1934. с. 273-274.

Маркушевич А.И. «Замечательные кривые». М.: Наука, 1978.с.91

Люстерник П.А. Кратчайшие линии. Вариационные задачи. Серия «популярные лекции по математике», выпуск 19, §19. М.-Л.: Гостехизд. 1955.

Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити. М.: Наука. 1980. с. 135.

Савёлов А.А. Плоские кривые. М.: Госиздфиз-мат литературы. 1960.с. 213-216.

Иванов А.О., Тужилин А.А. Лекции по дифференциальной геометрии. М.:Логос, 2009.

Виро О. Я., Иванов О. А., Харламов В. М., Нецветаев Н. Ю. Элементарная топология. СПГУ, 2007.

Голованов Н.Н., Ильютко Д.П., Носовский Г.В., Фоменко А.Т. Компьютерная геометрия. М.: Издательский центр «Академия», 2006.

Приложение 1

Определение 1. Цепной линией называется плоская кривая, форма которой соответствует однородной гибкой нерастяжимой тяжелой нити, закрепленной в обоих концах и провисающей под действием силы тяжести.

Определение 2 . Касательной называется , проходящая через точку кривой и совпадающая с ней в этой точке с точностью до первого порядка. , (- числовая характеристика протяжённости этой кривой. Исторически вычисление длины кривой называлось спрямлением кривой. Если длина кривой существует и конечна, то говорят, что кривая спрямляемая , в противном случае - неспрямляемая . Длина дуги обозначается S .

Определение 7. Кривизна - , характеризующая кривой (поверхности) в окрестности данной ее точки от касательной прямой (касательной плоскости). кривизны обращается на объекты более общей природы. Кривизна обозначается.

Определение 8. Кручение , вторая кривизна, мера отклонения пространственной кривой от . Кручение обозначается

Определение 9 . Бинормалью называется нормаль кривой в пространстве, перпендикулярная касательной к главной нормали .

Определение 10. Плоскость, проходящая через касательную и главную нормаль в данной точке кривой, называется соприкасающейся плоскостью в этой точке .

Определение 11. Нормальная плоскость к кривой линии в данной ее точке - плоскость, перпендикулярная к касательной прямой, проведенной через ту же точку.

Определение 12 . Спрямляющая плоскость , плоскость проходящая через касательную и бинормаль в данной точке М пространственной кривой.

Цепная линия – плоская трансцендентная кривая, форму которой принимает под действием силы тяжести однородная, гибкая, не растяжимая, тяжелая нить (цепь) с закрепленными концами (см. рис. 10).

Для того, чтобы вывести уравнение цепной линии, выделим бесконечно малый элемент нити от точки А (х, у) до точки В (х+dx , y+dy) и рассмотрим систему сил, действующих на него.

Рис. 10

В точке А на нить действует натяжение , направленное по касательной к кривой. Обозначим через и его составляющие по осям координат. Соответственно в точке В имеется натяжение с составляющими и . Кроме того, на элемент АВ действует сила тяжести , направленная вертикально вниз и равная по абсолютной величине p=qds , где ds – дифференциал дуги АВ, а q – вес единицы длины нити. Для того, чтобы система сил находилась в равновесии, необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций на каждую ось всех действующих сил была равна нулю. Приравнивая к нулю проекцию сил на ось Ох, получим:

H+(H+dH)=0 или dH=0,

т.е. горизонтальная составляющая натяжения нити есть величина постоянная.

Проецируя силы на ось Оу, получим:

V-qds+(V+dV)=0 или dV=qds.

С другой стороны, обозначив через «a » угол, образованный касательной к кривой в точке А с осью Ох, получим:

Продифференцируем последнее равенство по х, учитывая, что H=const:

Учитывая, что dV=qds и (см. ) , получим следующее дифференциальное уравнение: где обозначено Найдем общее решение данного уравнения. Для этого производим замену: . Тогда и уравнение примет вид: . Интегрируя последнее равенство по х, получим: . Следовательно и окончательно:

Получили семейство цепных линий. Подбирая произвольные постоянные с1 и с2 так, чтобы выполнялись начальные условия , получим искомое уравнение линии провисания нити.

Предположим, что константы с1 и с2 уже подобраны, тогда уравнение цепной линии можно упростить. Произведем преобразование координат: , т.е. за новое начало координат принимается точка (-с1 , с2). В новой системе координат уравнение цепной линии с сохранением прежних обозначений для новых координат примет вид:

Если принять за начало координат нижнюю точку цепной линии, то с1=0 , с2=а и окончательно уравнение цепной линии примет вид: