Кіріспе
Гиперболалық спираль – ортасынан қашықтық артқан сайын шағылысу бұрышы өсетін спираль түрі. Логарифмдік спиральдардың тұрақты бұрыштарынан немесе Архимед спиральдарының азаятын бұрыштарынан өзгеше, бұл қисық кеңейгенде асимптотикалық сызыққа жақындайды. Оны спиральді баспалдақтарда және кейбір жүгіріс жарыстарының бастапқы орналасу схемаларында кездестіруге болады, сондай-ақ спиральді галактикалар мен сәулеттік иілімдерді модельдеу үшін қолданылады. Жалпы жағдайда, гиперболалық спираль полярлық координаттарда масштаб коэффициентінің кездейсоқ таңдалуына байланысты теңдеу арқылы сипатталады. координаттары арасындағы өзара байланыс гиперболаның теңдеуін де сипаттайды, ал гиперболалық спираль алғаш рет гипербола теңдеуін полярлық координаттарға қолдану арқылы ашылған. Гиперболалық спиральдар Архимед спиральдарының инверсті қисықтары немесе спиральдардың орталық проекциялары түрінде де жасалуы мүмкін. Гиперболалық спиральдар – Евклид жазықтығындағы үлгілер, оларды гиперболалық жазықтықта салынған спиральдармен шатастырмау керек. Бұл спиральдардың атауы түсініксіз болған жағдайда, олардың баламалы атауы – өзара спиральдарды қолдануға болады.
A hyperbolic spiral is a type of spiral with a pitch angle that increases with distance from its center, unlike the constant angles of logarithmic spirals or decreasing angles of Archimedean spirals. As this curve widens, it approaches an asymptotic line. It can be found in the view up a spiral staircase and the starting arrangement of certain footraces, and is used to model spiral galaxies and architectural volutes. As a plane curve, a hyperbolic spiral can be described in polar coordinates by the equation
for an arbitrary choice of the scale factor
Because of the reciprocal relation between and it is also called a reciprocal spiral. The same relation between Cartesian coordinates would describe a hyperbola, and the hyperbolic spiral was first discovered by applying the equation of a hyperbola to polar coordinates. Hyperbolic spirals can also be generated as the inverse curves of Archimedean spirals, or as the central projections of helixes. Hyperbolic spirals are patterns in the Euclidean plane, and should not be confused with other kinds of spirals drawn in the hyperbolic plane. In cases where the name of these spirals might be ambiguous, their alternative name, reciprocal spirals, can be used instead.
Тарих және қолдану
Пьер Вариньон гиперболалық спиральді алғаш рет 1704 жылы басқа қисықтан (осы жағдайда гиперболадан) алынған полярлық қисықтың мысалы ретінде зерттеді. Бұл зерттеу берілген қисықтағы нүктелердің декарттық координаталарын полярлық қисықтағы нүктелердің полярлық координаталары ретінде қайта қарастыру арқылы жүзеге асты. Вариньон және кейін Джеймс Клерк Максвелл осы қисық бойымен домалағандағы нүктенің қозғалысынан туындайтын рулеткаларға қызығушылық танытты. Мысалы, гиперболалық спираль тура сызық бойымен домағанда, оның центрі трактрикса сызады. Иоганн Бернулли мен Роджер Котес та Исаак Ньютонның конустық қима траекториясын ұшқан денелер Ньютонның әмбебап тартылыс заңындағыдай кері квадрат заңына бағынуы керек деген жаңалығымен байланысты осы қисық туралы жазды. Ньютон керісінше дұрыс екенін айтты: конустық қималар кері квадрат заңы бойынша ғана мүмкін болатын траекториялар. Бернулли бұл тұжырымды сынға алып, кері куб заңы жағдайында бірнеше траектория мүмкін екенін, соның ішінде логарифмдік спираль (оның кері куб заңымен байланысын Ньютон бұрыннан байқаған) және гиперболалық спираль бар екенін көрсетті. Котес логарифмдік және гиперболалық спиральдарды қоса алғанда, Котес спиральдары деп аталатын спиральдер отбасын тапты, олардың барлығы кері куб заңын қажет етеді. 1720 жылға қарай Ньютон кері квадрат заңдары әрқашан конустық қима траекторияларын тудыратынын дәлелдеу арқылы дауды шешті. Гиперболалық спираль теңдеуімен берілген жағдайда, орталығынан басталатын және кез келген нүктесінен сағат тілі бойынша жалғасатын шеңбер доғасының ұзындығы тең болады. Осы қасиетінің арқасында 200 метрлік және 400 метрлік жүгіру жарыстарының басталу белгілері гиперболалық спираль бойымен қадамды түрде орналастырылады. Бұл жүгірушілердің концентрлі жолақтарында жүруге шектелгенін қамтамасыз етеді, осылайша олардың барлығы финиш сызығына дейінгі қашықтықтары бірдей болады. Ұзақ қашықтыққа жүгірілетін жарыстарда, жүгірушілер старттан кейін ішкі жолаққа ауысқанда, басқа спираль (шеңбердің инволютасы) қолданылады. Гиперболалық спиральдің ортасынан қашықтыққа байланысты өзгеретін көтерілу бұрышы кейбір спиральді галактикалардың пішінін модельдеу үшін осы спиральдарды пайдалануға мүмкіндік берді, олар кейде ұқсас көтерілу бұрышына ие. Алайда, бұл модель барлық спиральді галактикалардың пішініне толық сәйкес келмейді. Сәулет өнерінде гиперболалық спиральдар Коринф ордерінің бағаналарындағы волюттардың дизайнына жақсы сәйкес келеді деп ұсынылған. Бұдан басқа, ол спиральді баспалдақтың немесе басқа спиральді құрылымның осі бойымен қарағандағы перспективалық көрінісін сипаттайды. Архимед спиралі және логарифмдік спиральмен бірге гиперболалық спираль айналуды қабылдауға қатысты психологиялық эксперименттерде қолданылған.
Инверсия
Бірлік шеңбер арқылы шеңбер инверсиясы – полярлық координаттарда нүктені (бастапқы нүктенің өзін қоспағанда) және керісінше, жазықтықта түрлендіретін трансформация. Осы трансформация астындағы (оның кері қисығы) Архимед спиралының бейнесі гиперболалық спираль болады.
Қисық бұрышы
Полярлық координаттардағы векторлық есептеуден кез келген қисықтың жанамасы мен оған сәйкес полярлық шеңбердің жанамасы арасындағы бұрышқа арналған формула алынады. Гиперболалық спираль үшін бұл бұрыш: