Развертка циклоиды. Длина дуги циклоиды

Разобранные примеры помогли нам привыкнуть к новым понятиям эволюты и эвольвенты. Теперь мы достаточно подготовлены, чтобы заняться исследованием разверток циклоидальных кривых.

Изучая ту или иную кривую, мы нередко строили вспомогательную кривую — «спутницу» данной кривой.

Рис. 89. Циклоида и ее сопровождающая.

Так, мы строили конхоиды прямой и окружности, развертку окружности, синусоиду — спутницу циклоиды. Теперь, исходя из данной циклоиды, мы построим неразрывно связанную с ней вспомогательную циклоиду же. Оказывается, совместное изучение такой пары циклоид в некоторых отношениях проще, чем изучение одной отдельно взятой циклоиды. Такую вспомогательную циклоиду мы будем называть сопровождающей циклоидой.

Рассмотрим половину арки циклоиды АМВ (рис. 89). Нас не должно смущать, что циклоида эта расположена непривычным образом («вверх ногами»).

Проведем 4 прямые, параллельные направляющей прямой АК на расстояниях а, 2а, 3а и 4а. Построим производящий крут в положении, соответствующем точке М (на рис. 89 центр этого круга обозначен буквою О). Угол поворота МОН обозначим через . Тогда отрезок АН будет равен (угол выражен в радианах).

Диаметр НТ производящего круга продолжим за точку Т до пересечения (в точке Е) с прямой РР. На ТЕ как на диаметре построим окружность (с центром ). Построим касательную в точке М к циклоиде АМВ. Для этого точку М нужно, как мы знаем, соединить с точкой Т (стр. 23). Продолжим касательную МТ за точку Т до пересечения со вспомогательной окружностью, и точку пересечения назовем . Вот этой-то точкою мы и хотим теперь заняться.

Угол МОН мы обозначили через Поэтому угол МТН будет равняться (вписанный угол, опирающийся на ту же дугу). Треугольник очевидно, равнобедренный. Поэтому не только угол но и угол будут каждый равняться Таким образом, на долю угла в треугольнике остается ровно радианов (вспомним, что угол 180° равен радианов). Заметим еще, что отрезок НК равен, очевидно, а ().

Рассмотрим теперь окружность с центром , изображенную на рис. 89 штриховой линией. Из чертежа ясно, что это за окружность. Если катить ее без сколь-" жения по прямой СВ, то её точка В опишет циклоиду ВВ. Когда штриховой круг повернется на угол , центр придет в точку , а радиус займет положение Таким образом, построенная нами точка оказывается точкою циклоиды ВВ,

Описанное построение ставит в соответствие каждой точке М циклоиды АМВ точку циклоиды На рис. 90 это соответствие показано более наглядно. Полученная таким путем циклоида и называется сопровождающей. На рис. 89 и 90 циклоиды, изображенные жирными штриховыми линиями, являются сопровождающими по отношению к циклоидам, изображенным жирными сплошными линиями.

Из рис. 89 видно, что прямая является нормалью в точке к сопровождающей циклоиде. Действительно, эта прямая проходит через точку циклоиды и через точку Т касания производящего круга и направляющей прямой («наинизшую» точку производящего круга, как мы говорили когда-то; теперь она оказалась «наивысшей», потому что чертеж повернут).

Но эта же прямая, по построению, является касательной к «основной» циклоиде АМВ. Таким образом, исходная циклоида касается каждой нормали сопровождающей циклоиды. Она является огибающей для нормалей сопровождающей циклоиды, т. е. ее эволютой. А «сопровождающая» циклоида оказывается просто напросто эвольвентой (разверткой) исходной циклоиды!

Рис. 91 Соответствие между точками циклоиды и ее сопровождающей.

Занимаясь этим громоздким, но в сущности простым построением, мы доказали замечательную теорему, открытую голландским ученым Гюйгенсом. Вот эта теорема: эволютой циклоиды служит точно такая же циклоида, только сдвинутая.

Построив эволюту не к одной арке, а ко всей циклоиде (что можно, разумеется, сделать только мысленно), зятем эволюту к этой эволюте и т. д., получим рис. 91, напоминающий черепицу.

Обратим внимание на то, что при доказательстве теоремы Гюйгенса мы не пользовались ни бесконечно малыми, ни неделимыми, ни приблизительными оценками. Даже механикой мы не пользовались, хогя употребляли иногда заимствованные из механики выражения. Доказательство это совершенно в духе тех рассуждений, которыми пользовались ученые XVII века, когда хотели строго обосновать результаты, полученные с помощью различных наводящих соображений.

Из теоремы Гюйгенса получается сразу важное следствие. Рассмотрим отрезок АВ на рис. 89. Длина этого отрезка равна, очевидно, 4а. Представим себе теперь, что на дугу АМВ циклоиды намотана нить, закрепленная в точке А и снабженная карандашом в точке В. Если мы будем «сматывать» нить, то карандаш будет двигаться по развертке циклоиды АМВ, т. е. по циклоиде ВМВ.

Рис. 91 Последовательные эволюты циклоиды.

Длина нити, равная длине полуарки циклоиды, будет, очевидно, равна отрезку АВ, т. е., как мы видели, 4а. Следовательно, длина всей арки циклоиды будет равна 8а, и формулу можно считать теперь достаточно строго доказанной.

Из рис. 89 можно увидеть больше: формулу не только для длины всей арки циклоиды, но и для длины любой ее дуги. Действительно, очевидно, что длина дуги MB равна длине отрезка , т. е. удвоенному отрезку касательной в соответствующей точке циклоиды, заключенному внутри производящего крута.

Точно такие же рассуждения и чертежи приведут нас к эволютам эпициклоид и циклоид. Приведем готовые результаты. Эволютой эпициклоиды служит эпициклоида, подобная данной, с тем же центром неподвижного круга, но повернутая на угол радианов (т. е. градусов), где — отношение радиуса неподвижного круга к радиусу подвижного. Отношение подобия равно

Иными словами, если радиус неподвижного круга в три, например, раза больше радиуса подвижного, то линеииые размеры эволюты составляют соответствующих размеров самой эпициклоиды.

Рис. 92. Эволюта гипоциклоиды.

Эволютой гипоциклоиды служит гипоциклоида, подобная данной, с тем же центром неподвижного круга, повернутая, как и в случае эпициклоиды, на угол радианов. Но в отличие от эволют эпициклоид, эволюта гипоциклоиды больше самой кривой, причем отношение подобия равно На рис. 92 изображены астроида и ее эволюта. Эволюта повернута относительно самой астроиды на и больше нее в два раза (по линейным размерам, разумеется).

Понятия эволюты и эвольвенты — чрезвычайно важные понятия как для самой геометрии, так и для приложений. Гюйгенса подвела к его замечательной теореме как раз физическая задача. Об этой физической задаче мы сейчас расскажем.