la ecuación del pedal de la curva es una relación entre r y pdonde r es la distancia desde O a un punto en C y p es la distancia perpendicular desde O a la línea tangente a Cen el punto. El punto O se llama el punto del pedal y los valores r y p a veces se llaman las coordenadas del pedalde un punto relativo a la curva y al punto del pedal. También es útil medir la distancia de O a la normal.(la coordenada contrapedal ) aunque no es una cantidad independiente y se relaciona con como .
Algunas curvas tienen ecuaciones de pedal particularmente simples y conocer la ecuación de pedal de una curva puede simplificar el cálculo de algunas de sus propiedades, como la curvatura. Estas coordenadas también son adecuadas para resolver ciertos tipos de problemas de fuerza en la mecánica clásica y en la mecánica celeste .
Ecuaciones [ editar ]
Coordenadas cartesianas [ editar ]
Para C dada en coordenadas rectangulares por f ( x , y ) = 0, y con O como origen, las coordenadas del pedal del punto ( x , y ) están dadas por: [1]
La ecuación del pedal se puede encontrar eliminando x e y de estas ecuaciones y la ecuación de la curva.
La expresión para p se puede simplificar si la ecuación de la curva se escribe en coordenadas homogéneasintroduciendo una variable z , de modo que la ecuación de la curva sea g ( x , y , z ) = 0. Luego se da el valor de p por [2]
donde el resultado es evaluado en z = 1
Coordenadas polares [ editar ]
La ecuación del pedal se puede encontrar al eliminar θ de estas ecuaciones. [3]
Alternativamente, de lo anterior podemos encontrar que
dónde Es la coordenada "contrapedal", es decir, la distancia a la normal. Esto implica que si una curva satisface una ecuación diferencial autónoma en coordenadas polares de la forma:
su ecuación de pedal se convierte en
Como ejemplo, tome la espiral logarítmica con el ángulo en espiral α:
Diferenciación con respecto a obtenemos
por lo tanto
Y así, en las coordenadas del pedal obtenemos
o usando el hecho de que obtenemos
Este enfoque puede generalizarse para incluir ecuaciones diferenciales autónomas de cualquier orden de la siguiente manera: [4] Una curva C que es una solución de una ecuación diferencial autónoma de orden n .) en coordenadas polares
es la curva del pedal de una curva dada en coordenadas del pedal por
Donde la diferenciación se hace con respecto a .
Problemas de fuerza [ editar ]
Las soluciones a algunos problemas de fuerza de la mecánica clásica pueden ser sorprendentemente fáciles de obtener en las coordenadas del pedal.
Considere un sistema dinámico:
Describiendo una evolución de una partícula de prueba (con posición y velocidad ) en el plano en presencia de centrales y Lorentz gusta potencial. Las cantidades:
Se conservan en este sistema.
Luego la curva trazada por se da en coordenadas del pedal por
con el punto de pedal en el origen. Este hecho fue descubierto por P. Blaschke en 2017. [5]
Como ejemplo, considere el llamado problema de Kepler , es decir, el problema de la fuerza central, donde la fuerza varía inversamente como un cuadrado de la distancia:
Podemos llegar a la solución inmediatamente en coordenadas de pedal.
- ,
dónde corresponde al momento angular de la partícula y a su energía. Así hemos obtenido la ecuación de una sección cónica en coordenadas de pedal.
A la inversa, para una curva C dada , podemos deducir fácilmente qué fuerzas tenemos que imponer sobre una partícula de prueba para moverse a lo largo de ella.
Ecuaciones de pedal para curvas específicas [ editar ]
Espirales sinusoidales [ editar ]
el angulo tangencial polar es
que produce la ecuación del pedal
La ecuación del pedal para una serie de curvas familiares se puede obtener ajustando n a valores específicos: [6]
Espirales [ editar ]
Una curva en forma de espiral de la forma.
satisface la ecuación
y por lo tanto se puede convertir fácilmente en coordenadas de pedal como
Los casos especiales incluyen:
| Curva | Punto de pedal | Pedal eq. |
1 | Espiral de Arquímedes | Origen | |
−1 | Espiral hiperbólica | Origen | |
1 / 2 | Espiral de fermat | Origen | |
- 1 / 2 | Lituus | Origen | |
Epi y hipocicloides [ editar ]
Para un epi o hipocicloide dado por ecuaciones paramétricas
La ecuación del pedal con respecto al origen es [7].
con
Los casos especiales obtenidos mediante el establecimiento de b = un / n para valores específicos de n incluyen:
norte | Curva | Pedal eq. |
1, - 1 / 2 | Cardioide | |
2, - 2 / 3 | Nefroide | |
-3, - 3 / 2 | Deltoides | |
-4, - 4 / 3 | Astroide | |
Otras curvas [ editar ]
Otras ecuaciones del pedal son:, [9]
Curva | Ecuación | Punto de pedal | Pedal eq. |
Línea | | Origen | |
Punto | | Origen | |
Circulo | | Origen | |
Involucrar de un círculo | | Origen | |
Elipse | | Centrar | |
Hipérbola | | Centrar | |
Elipse | | Atención | |
Hipérbola | | Atención | |
Espiral logaritmica | | Polo | |
Ovalo cartesiano | | Atención | |
Óvalo de cassini | | Atención | |
Óvalo de cassini | | Centrar | |
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