阿基米德螺线

编辑:河边网互动百科 时间:2020-02-24 00:17:32
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阿基米德螺线(亦称等速螺线),得名于公元前三世纪希腊数学家阿基米德。阿基米德螺线是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹。阿基米德在其著作《螺旋线》中对此作了描述。
中文名
阿基米德螺线
外文名
Archimedean spiral
别    称
阿基米德曲线
提出者
阿基米德
提出时间
公元前三世纪
应用学科
数学
 

阿基米德螺线方程式

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阿基米德螺线的极坐标方程式为:
其中 ab 均为实数。改变参数 a相当于旋转螺线线,而参数 b 则控制相邻两条曲线之间的距离。
阿基米德螺线的平面笛卡尔坐标方程式为:

  

  
从笛卡尔坐标系到极坐标系的变换:

  
从极坐标系到笛卡尔坐标系的变换:

  

阿基米德螺线应用

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为解决用尼罗河水灌溉土地的难题,他发明了圆筒状的螺旋扬水器,后人称它为“阿基米德螺旋”。除了杠杆系统外,值得一提的还有举重滑轮、灌地机、扬水机以及军事上用的抛石机等。被称作“阿基米德螺旋”的扬水机至今仍在埃及等地使用。
一些喷淋冷却塔所用的螺旋喷嘴喷出喷淋液的运动轨迹也为阿基米德螺线。
更多曲线参见曲线列表

阿基米德螺线相关发现

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阿基米德(约公元前287~前212),古希腊伟大的数学家、力学家。他公元前287年生于希腊叙拉古附近的一个小村庄。11岁时去埃及,到当时世界著名学术中心、被誉为“智慧之都” 的亚历山大城跟随欧几里得的学生柯农学习,以后和亚历山大的学者保持紧密联系,因此他算是亚历山大学派的成员。
公元前240年,阿基米德由埃及回到故乡叙拉古,并担任了国王的顾问。从此开始了对科学的全面探索,在物理学、数学等领域取得了举世瞩目的成果,成为古希腊最伟大的科学家之一。后人对阿基米德给以极高的评价,常把他和牛顿、高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。
据说,阿基米德螺线最初是由阿基米德的老师柯农(欧几里德的弟子)发现的。柯农死后,阿基米德继续研究,又发现许多重要性质,因而这种螺线就以阿基米德的名字命名了。

阿基米德螺线阿基米德螺线的画法

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1.阿基米德螺线的几何画法
以适当长度(OA)为半径,画一圆O;作一射线OA;作一点P于射线OA上;模拟点A沿圆O移动,点P沿射线OA移动;画出点P的轨迹;隐藏圆O、射线OA&点P;即可得到螺线
2.阿基米德螺线的简单画法
有一种最简单的方法画出阿基米德螺线,用一根线缠在一个线轴上,在其游离端绑上一小环,把线轴按在一张纸上,并在小环内套一支铅笔,用铅笔拉紧线,并保持线在拉紧状态,然后在纸上画出由线轴松开的线的轨迹,就得到了阿基米德螺线。

阿基米德螺线自然界中螺线广泛存在的原因

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螺线之所以在生命体中广泛存在,是由于螺线的若干优良性质所确定。而这些优良性质直接或间接地使生命体在生存斗争中获得最佳效果。由于在柱面内过柱面上两点的各种曲线中螺线长度最短,对于茑萝、紫藤、牵牛花等攀缘植物而言,如何用最少的材料、最低的能耗,使其茎或藤延伸到光照充足的地方是至关重要的。而在各种曲线中,螺线就起到省材、节约能量消耗的作用,在相同的空间中使其叶子获取较多的阳光,这对植物光合作用尤为重要,像烟草等植物轮状叶序就是利用形成的螺旋面能在狭小的空间中(其他植物的夹缝中)获得最大的光照面积,以利于光合作用。形成螺线状的某些物体还有一种物理性质,即像弹簧一样具有弹性(或伸缩性)。在植物中丝瓜、葫芦等茎上的拟圆柱螺线状的触须利用这个性质,能使其牢固地附着其他植物或物体上。即使有外力或风的作用,由于螺线状触须的伸缩性,使得纤细的触须不易被拉断,并且当外力(或风)消失后,保证其茎叶又能恢复到原来的位置。螺旋线对于生活在水中的大多数螺类软体动物也是十分有意义的。观察螺类在水中的运动方式,通常是背负着外壳前进,壳体直径粗大的部分在前,螺尖在后。当水流方向与运动方向相反时,水流沿着壳体螺线由直径大的部分旋转到直径小的部分直到螺尖。水速将大大减小,这样位于壳体后水的静压力将大于壳体前端的静压力。在前后压力差的作用下,壳体将会自动向前运动。这样一来,来自水流的阻力经锥状螺线的转化变为前进的动力。除此而外,分布在螺类外壳上的螺线像一条肋筋,大大增加了壳体的强度,也分散了作用在壳体上的水压。

阿基米德螺线更多信息

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阿基米德螺线 ,亦称“等速螺线”。当一点P沿动射线OP一等速率运动的同时,这射线有以等角速度绕点O旋转,点P的轨迹称为“阿基米德螺线”。
它的极坐标方程为:r = aθ
这种螺线的每条臂的距离永远相等于 2πa。
笛卡尔坐标
方程式为:
r=10*(1+t)
x=r*cos(t * 360)
y=r*sin(t * 360)
z=0
一动点沿一直线作等速移动的同时,该直线又绕线上一点O作等角速度旋转时,动点所走的轨迹就是阿基米德涡线。直线旋转一周时,动点在直线上移动的距离称为导程用字母S表示。
阿基米德涡线在凸轮设计、车床卡盘设计、涡旋弹簧、螺纹、蜗杆设计中应用较多。阿基米德涡线画法如图:
(1)先以导程S为半径画圆,再将圆周及半径分成相同的n等分,图中n=8;
(2)以O为圆心,作各同心圆弧于相应数字的半径相交,得交点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…Ⅷ各点,即为阿基米德涡线上的点;
(3)依次光滑连接各点,即得阿基米德涡线。
与希皮亚斯割圆曲线相类似,阿基米德螺线不但可以用来三等分角,也可以用来化圆为方。不过,后者也是阿基米德自己完成的。如图一,螺线P=aθ的极点O,第一圈终于点A。以O为圆心,a为半径作圆,则圆周长等于=OA。这样,阿基米德轻易解决化圆为方问题
图一 图一
稍迟于阿基米德的阿波罗尼斯用圆柱螺线解决了化圆为方问题,如图4-2-27所示。设圆O是一直圆柱之底面,A是螺旋线之起始点。螺旋线在其上任一点P处的切线交底所在平面于T。则PT在底平面上的投影BTAB相等。因此,当P点恰好为A点所在母线上离A最近的点时,TB圆周长相等。从而化圆为方问题得以解决。
在阿波罗尼斯之后,机械师卡普斯(Carpus)也解过化圆为方问题。他所用的“双重运动曲线”今已失传,据数学史家唐内里(P. Tannery, 1843~1904)推测,它是摆线,亦即卡普斯是通过将圆沿直线滚动一周获得圆周长的(图二)。
图二 图二
文艺复兴时期,意大利著名艺术大师达·芬奇(1452~1519)为化圆为方问题所吸引,并获巧妙方法。如图4-2-29,设圆半径为R,以圆为底作高为R/2的圆柱,然后将圆柱在平面上滚动一周,得矩形。将矩形化方,即完成化圆为方
以上我们看到,希腊人很早就意识到(但未能证明)三大难题不能以尺规在有限步骤内完成。但它们看似如此简单,以至希腊人未能抵制诱惑;他们不断寻求尺规以外的方法,结果导致圆锥曲线割圆曲线蚌线蔓叶线和螺线等高次曲线和超越曲线的相继发现。三大难题使一代又一代希腊数学家显示了非凡的聪明才智,并深刻影响了希腊几何的整个发展过程。
三大难题的魅力并未随希腊文明的沦亡而消失。事实上,从希腊以后特别是欧洲文艺复兴时期以来直到本世纪,对于它们的研究从未停止过。
1837年,年轻的法国数学家万采尔(P. L. Wantzel,1814~1848)证明了三等分角和倍立方尺规作图之不可能性。1882年,德国数学家林德曼(C. Lindemann, 1852~1938)证明了π的超越性,从而证明了化圆为方的尺规作图之不可能性。以后数学家们又还建立了两条一般定理:
定理1 任何可用尺规由已知单位长度作出的量必为代数数
定理2 若一有理系数三次方程没有有理根,则它的根不可能用尺规由一给定单位长度作出。
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