次摆线

更新时间:2022-08-25 14:11

次摆线又称长(短)幅旋轮线,指一个动圆沿着一条定直线作无滑动的滚动时,动圆外或动圆内一定点的轨迹。

定义

简介

次摆线(英语:trochoid),又称为余摆线、变幅摆线,是指当一个圆沿一条给定直线滚动时,固定在圆所在平面内一定点经过的轨迹。摆线是最常见的一种次摆线。

次摆线的参数方程为:

其中基线所在的为x轴, 为动圆滚过的角度,a为动圆半径,b为定点与圆心之间的距离。当定点处于圆周上时(b=a)所得到的即为摆线。当定点位于圆外(b>a)或圆内(b

一般说明

一个一般的方法将一个次摆线定义为一个点的轨迹 围绕位于的轴线以恒定的速率绕轨道运行 ,

或者一个圆形轨道,

摆线

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。

摆线也是最速降线问题和等时降落问题的解。

历史

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)。

方程式

过原点半径为r的摆线参数方程为:

在这里实参数t是在弧度制下,圆滚动的角度。对每一个给出的t,圆心的坐标为(rt, r)。 通过替换解出t可以求的笛卡尔坐标方程为:

摆线的第一道拱由参数t在(0, 2π)区间内的点组成。

摆线也满足下面的微分方程

面积

一条由半径为r的圆所生成的拱形面积可以由下面的参数方程界定:

微分:

于是可以求得:

弧长

弧形的长度可以由下面的式子计算出:

其它相关联的曲线

一些曲线同摆线紧密相关。当我们弱化定点只能固定在圆边界上时,我们得到了短摆线(curtate cycloid)和长摆线(prolate cycloid),两者合称为次摆线(trochoid),前面的情形是定点在圆的内部,后者则是在圆外。次摆线则是上述三种曲线的统称。更进一步,如果我们让圆也沿着一个圆滚动而不是直线的话,我们会得到外摆线(epicycloid,沿着圆的外部运动,定点在圆的边缘),内摆线(hypocycloid,沿着圆内部滚动,定点在圆的边缘)以及外旋轮线(epitrochoid)和内旋轮线(hypotrochoid,定点可以在圆内的任一点包括边界。)

另见

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