В математике спираль — это кривая , которая исходит из точки и удаляется по мере вращения вокруг нее. [1] [2] [3] [4] Это подтип завитковых узоров, широкая группа, которая также включает концентрические объекты .
кривая на плоскости, которая огибает фиксированную центральную точку на постоянно увеличивающемся или уменьшающемся расстоянии от этой точки.
трехмерная кривая, которая поворачивается вокруг оси на постоянном или непрерывно изменяющемся расстоянии, двигаясь параллельно оси; винтовая линия .
Первое определение описывает плоскую кривую, которая простирается в обоих перпендикулярных направлениях внутри ее плоскости; канавка на одной стороне граммофонной пластинки очень близка к плоской спирали (и именно из-за конечной ширины и глубины канавки, а не из-за большего расстояния между дорожками, чем внутри них, она не может считаться идеальным примером); обратите внимание, что последовательные петли различаются по диаметру. В другом примере «центральные линии» рукавов спиральной галактики вычерчивают логарифмические спирали .
Второе определение включает два вида трехмерных родственников спиралей:
Коническая или спиральная пружина (включая пружину, используемую для удержания и контакта с отрицательными клеммами батареек типа AA или AAA в батарейном отсеке ), а также вихрь , который создается при сливе воды в раковине, часто описываются как спираль или как коническая винтовая линия .
Совершенно очевидно, что определение 2 также включает цилиндрическую спиральную пружину и нить ДНК , обе из которых являются довольно спиральными, так что «спираль» является более полезным описанием, чем «спираль» для каждой из них; в целом, «спираль» редко применяется, если последовательные «петли» кривой имеют одинаковый диаметр. [5]
На боковой картинке черная кривая внизу — это архимедова спираль , а зеленая кривая — это спираль. Кривая, показанная красным, — это коническая спираль.
Эвольвента окружности (черная) не идентична архимедовой спирали (красная).
Например, при сворачивании ковра образуется архимедова спираль . [6]
Гиперболическая спираль выглядит как изображение спирали с особой центральной проекцией (см. диаграмму). Гиперболическую спираль иногда называют обратной спиралью, потому что она является изображением архимедовой спирали с инверсией окружности (см. ниже). [7]
Название логарифмическая спираль происходит от уравнения . Приближения к нему встречаются в природе.
Спирали, которые не вписываются в эту схему первых 5 примеров:
Спираль Корню имеет две асимптотические точки. Спираль Феодора является многоугольником. Спираль Фибоначчи состоит из последовательности дуг окружностей. Развертка окружности выглядит как архимедова, но таковой не является: см. Involute#Examples .
Геометрические свойства
Следующие соображения касаются спиралей, которые можно описать полярным уравнением , особенно для случаев (архимедовой, гиперболической, спирали Ферма, спирали Литууса) и логарифмической спирали .
Угол наклона полюса
Угол между касательной спирали и соответствующей полярной окружностью (см. диаграмму) называется углом полярного наклона и полярным наклоном .
Образ спирали при инверсии на единичной окружности — это спираль с полярным уравнением . Например: Обратной спирали Архимеда является гиперболическая спираль.
Логарифмическая спираль отображается на логарифмическую спираль
Ограниченные спирали
Функция спирали обычно строго монотонна, непрерывна и неограниченна . Для стандартных спиралей это либо степенная, либо экспоненциальная функция. Если выбрать ограниченную функцию , то спираль также будет ограниченной. Подходящей ограниченной функцией является функция arctan :
Пример 1
Задание и выбор дают спираль, которая начинается в начале координат (подобно архимедовой спирали) и приближается к окружности с радиусом (диаграмма слева).
Пример 2
Для и получается спираль, которая приближается к началу координат (как гиперболическая спираль) и приближается к окружности с радиусом (диаграмма справа).
Трёхмерный
Две хорошо известные спиральные пространственные кривые — это конические спирали и сферические спирали , определенные ниже. Другим примером спиралей пространства является тороидальная спираль . [8] Спираль, намотанная вокруг спирали, [9] также известная как двойная скрученная спираль , [10] представляет собой такие объекты, как скрученные спиральные нити .
Конические спирали
Если в - -плоскости спираль с параметрическим представлением
, то можно добавить третью координату , так что теперь пространственная кривая лежит на конусе с уравнением :
Спирали, созданные по этой методике, называются коническими спиралями .
Пример
Начиная с архимедовой спирали, получаем коническую спираль (см. схему)
тогда установка линейной зависимости для угловых координат дает параметрическую кривую в терминах параметра , [11]
кривая Клелия
Локсодром
Другое семейство сферических спиралей — это румбы или локсодромии, которые проецируются в прямые линии на проекции Меркатора . Это траектории, прочерченные судном, движущимся с постоянным азимутом . Любая локсодромиа (за исключением меридианов и параллелей) бесконечно спиралевидно движется вокруг любого из полюсов, все ближе и ближе друг к другу, в отличие от кривой Клелии, которая сохраняет равномерное расстояние по кошироте. При стереографической проекции локсодромиа проецируется в логарифмическую спираль на плоскости.
Модель рисунка цветков в головке подсолнечника [ 13] была предложена Х. Фогелем. Она имеет вид
где n — индекс цветка, а c — постоянный масштабный коэффициент, и является формой спирали Ферма . Угол 137,5° — это золотой угол , который связан с золотым сечением и дает плотную упаковку цветков. [14]
Спирали у растений и животных часто описываются как завитки . Это также название, данное спиралевидным отпечаткам пальцев .
Художественное представление спиральной галактики.
Головка подсолнечника с цветками, расположенными по спирали по 34 и 55 штук по внешней стороне.
Как символ
Спиральная форма была найдена в Мезине , Украина , как часть декоративного объекта, датируемого 10 000 г. до н. э. [ требуется ссылка ]
Спиральные и тройные спиральные мотивы служили неолитическими символами в Европе ( мегалитические храмы Мальты ). Кельтская тройная спираль на самом деле является докельтским символом. [15] Она высечена на скале каменного ромба возле главного входа в доисторический памятник Ньюгрейндж в графстве Мит , Ирландия . Ньюгрейндж был построен около 3200 г. до н. э., до кельтов; тройные спирали были вырезаны по крайней мере за 2500 лет до того, как кельты достигли Ирландии, но уже давно стали частью кельтской культуры. [16] Символ трискелиона , состоящий из трех переплетенных спиралей или трех согнутых человеческих ног, встречается во многих ранних культурах: примерами служат микенские сосуды, монеты из Ликии , статеры Памфилии (в Аспендосе , 370–333 гг. до н. э.) и Писидии , а также геральдическая эмблема на щитах воинов, изображенная на греческой керамике. [ 17]
Спирали часто встречаются в доколумбовом искусстве в Латинской и Центральной Америке. Более 1400 петроглифов (наскальных рисунков) в Лас-Пласуэлас, Гуанахуато, Мексика , датируемых 750-1200 гг. н. э., в основном изображают спирали, точечные фигуры и масштабные модели. [18] В Колумбии обезьяны, лягушки и ящероподобные фигуры, изображенные на петроглифах или в качестве золотых подношений, часто включают спирали, например, на ладонях рук. [19] В Нижней Центральной Америке спирали наряду с кругами, волнистыми линиями, крестами и точками являются универсальными символами петроглифов. [20] Спирали также появляются среди линий Наска в прибрежной пустыне Перу, датируемых периодом с 200 г. до н. э. по 500 г. н. э. Геоглифы исчисляются тысячами и изображают животных, растения и геометрические мотивы, включая спирали. [21]
Спирали также являются символом гипноза , происходящим от клише о людях и персонажах мультфильмов, загипнотизированных взглядом на вращающуюся спираль (одним из примеров является Каа в «Книге джунглей» Диснея ). Они также используются как символ головокружения , когда глаза персонажа мультфильма, особенно в аниме и манге , превращаются в спирали, чтобы показать, что он испытывает головокружение или ошеломление. Спираль также встречается в структурах, таких малых, как двойная спираль ДНК , и таких больших, как галактика . Из-за этого частого естественного явления спираль является официальным символом Всемирного движения пантеистов . [22]
Спираль также является символом диалектического процесса и диалектического монизма .
Спираль часто используется как символ духовного очищения, как в христианстве , так и за его пределами (спираль рассматривается как неоплатонический символ молитвы и созерцания, вращающийся вокруг субъекта и одновременно восходящий, а также как буддийский символ постепенного процесса на Пути к Просветлению ) . [...] в то время как спираль повторяется, спираль расширяется и, таким образом, олицетворяет рост — концептуально до бесконечности . [23]
Спираль вдохновляла художников на протяжении веков. Среди самых известных произведений искусства, вдохновленных спиралями, — земляная работа Роберта Смитсона « Спиральная пристань » на Большом Солёном озере в штате Юта. [24] Тема спирали также присутствует в «Поле резонанса Спирали» Дэвида Вуда в Музее воздушных шаров в Альбукерке, а также в получившем признание критиков концептуальном альбоме Nine Inch Nails 1994 года «The Downward Spiral» . Спираль также является важной темой в аниме «Гуррен-Лаганн» , где она представляет собой философию и образ жизни. Она также занимает центральное место в работах Марио Мерца и Энди Голдсуорси. Спираль является центральной темой хоррор-манги « Узумаки » Дзюндзи Ито , где небольшой прибрежный городок страдает от проклятия, связанного со спиралями. 2012 A Piece of Mind Уэйна А. Била также изображает большую спираль в этой книге снов и образов. [25] [ необходима полная цитата ] [26] [ необходима проверка ] Спираль является центральным образом в иконографии австралийской художницы Тани Старк « Пригородная готика» , которая включает спиральные элементы верхней поверхности электрической плиты как символы домашней алхимии и духовности. [27] [28]
^ Weisstein, Eric W. "Гиперболическая спираль". mathworld.wolfram.com . Получено 2020-10-08 .
^ фон Зеггерн, DH (1994). Практическое руководство по проектированию и построению кривых. Тейлор и Фрэнсис. п. 241. ИСБН978-0-8493-8916-0. Получено 2022-03-03 .
↑ Энтони Мерфи и Ричард Мур, Остров заходящего солнца: в поисках древних астрономов Ирландии, 2-е изд., Дублин: The Liffey Press, 2008, стр. 168-169
^ "Ньюгрейндж, Ирландия - Мегалитическая проходная гробница - объект всемирного наследия". Knowth.com. 2007-12-21. Архивировано из оригинала 2013-07-26 . Получено 2013-08-16 .
^ Например, трислеле на круглом щите Ахилла на аттической гидрии конца шестого века в Бостонском музее изящных искусств , проиллюстрированное в книге Джона Бордмана, Джаспера Гриффина и Освина Мюррея « Греция и эллинистический мир» (Оксфордская история классического мира), т. I (1988), стр. 50.
^ "Rock Art Of Latin America & The Caribbean" (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006 г. стр. 5. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 г. . Получено 4 января 2014 г. .
^ "Rock Art Of Latin America & The Caribbean" (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006 г. стр. 99. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 г. . Получено 4 января 2014 г. .
^ "Rock Art Of Latin America & The Caribbean" (PDF) . Международный совет по памятникам и достопримечательностям. Июнь 2006 г. стр. 17. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2014 г. . Получено 4 января 2014 г. .
^ Jarus, Owen (14 августа 2012 г.). "Nazca Lines: Mysterious Geoglyphs in Peru". LiveScience. Архивировано из оригинала 4 января 2014 г. Получено 4 января 2014 г.
^ Харрисон, Пол. "Пантеистическое искусство" (PDF) . Мировое пантеистическое движение . Получено 7 июня 2012 г.
^ Брун, Зиглинд (1997). «Обмен натурами и природа(ы) времени и тишины». Образы и идеи в современной французской фортепианной музыке: внемузыкальный подтекст в фортепианных произведениях Равеля, Дебюсси и Мессиана. Эстетика в музыке, ISSN 1062-404X, номер 6. Stuyvesant, Нью-Йорк: Pendragon Press. стр. 353. Получено 30 июня 2024 г.
^ Израиль, Нико (2015). Спирали: закрученный образ в литературе и искусстве двадцатого века . Издательство Нью-Йоркского Колумбийского университета. С. 161–186. ISBN978-0-231-15302-7.
^ Старк, Таня (4 июля 2012 г.). «Путешествия по спирали: повороты и возвращения». tanjastark.com .
^ Старк, Таня. «Лекция: Спиральные подводные течения: архетипические символы боли, надежды и исцеления». Общество Юнга, Мельбурн .
Связанные публикации
Кук, Т., 1903. Спирали в природе и искусстве . Nature 68 (1761), 296.
Кук, Т., 1979. Кривые жизни . Довер, Нью-Йорк.
Хабиб З., Сакаи М., 2005. Спиральные кривые перехода и их приложения . Scientiae Mathematicae Japonicae 61 (2), 195–206.
Dimulyo, Sarpono; Habib, Zulfiqar; Sakai, Manabu (2009). «Честный кубический переход между двумя окружностями, одна из которых находится внутри или касается другой». Numerical Algorithms . 51 (4): 461–476. Bibcode :2009NuAlg..51..461D. doi :10.1007/s11075-008-9252-1. S2CID 22532724.
Harary, G., Tal, A., 2011. Естественная трехмерная спираль . Computer Graphics Forum 30 (2), 237 – 246 [1] Архивировано 22 ноября 2015 г. на Wayback Machine .
Xu, L., Mould, D., 2009. Магнитные кривые: эстетические кривые, контролируемые кривизной, с использованием магнитных полей . В: Deussen, O., Hall, P. (ред.), Computational Aesthetics in Graphics, Visualization, and Imaging. Ассоциация Eurographics [2].
Ван, Юлин; Чжао, Бинъянь; Чжан, Лузоу; Сюй, Цзячуань; Ван, Канчан; Ван, Шучунь (2004). «Проектирование плавных кривых с использованием частей монотонной кривизны». Компьютерное геометрическое проектирование . 21 (5): 515–527. дои : 10.1016/j.cagd.2004.04.001.
Курносенко, А. (2010). «Применение инверсии для построения плоских рациональных спиралей, удовлетворяющих двухточечным данным G2 Эрмита». Computer Aided Geometric Design . 27 (3): 262–280. arXiv : 0902.4834 . doi : 10.1016/j.cagd.2009.12.004. S2CID 14476206.
А. Курносенко. Двухточечная интерполяция G2 Эрмита со спиралями путем обращения гиперболы . Computer Aided Geometric Design, 27(6), 474–481, 2010.
Миура, КТ, 2006. Общее уравнение эстетических кривых и его самосродство . Computer-Aided Design and Applications 3 (1–4), 457–464 [3] Архивировано 28.06.2013 на Wayback Machine .
Miura, K., Sone, J., Yamashita, A., Kaneko, T., 2005. Вывод общей формулы эстетических кривых . В: 8-я Международная конференция по людям и компьютерам (HC2005). Айдзу-Вакамуцу, Япония, стр. 166 – 171 [4] Архивировано 28 июня 2013 г. на Wayback Machine .
Мик, Д.С.; Уолтон, Д.Дж. (1989). «Использование спиралей Корню при построении плоских кривых контролируемой кривизны». Журнал вычислительной и прикладной математики . 25 : 69–78. doi : 10.1016/0377-0427(89)90076-9 .
Томас, Сунил (2017). «Сульфат калия образует спиральную структуру при растворении в растворе». Журнал физической химии Б. 11 ( 1): 195–198. Bibcode :2017RJPCB..11..195T. doi :10.1134/S1990793117010328. S2CID 99162341.
Фарин, Джеральд (2006). «Кривые Безье класса a». Computer Aided Geometric Design . 23 (7): 573–581. doi :10.1016/j.cagd.2006.03.004.
Фаруки, РТ, 1997. Пифагорейско-годографические кривые перехода пятой степени монотонной кривизны . Computer-Aided Design 29 (9), 601–606.
Ёсида, Н., Сайто, Т., 2006. Интерактивные эстетические кривые сегменты . Визуальный компьютер 22 (9), 896–905 [5] Архивировано 04.03.2016 в Wayback Machine .
Yoshida, N., Saito, T., 2007. Квазиэстетические кривые в рациональных кубических формах Безье . Computer-Aided Design and Applications 4 (9–10), 477–486 [6] Архивировано 2016-03-03 на Wayback Machine .
Зиатдинов, Р., Йошида, Н., Ким, Т., 2012. Аналитические параметрические уравнения логарифмически-эстетических кривых в терминах неполных гамма-функций . Computer Aided Geometric Design 29 (2), 129—140 [7].
Зиатдинов, Р., Йошида, Н., Ким, Т., 2012. Подгонка многоспиральной переходной кривой G2, соединяющей две прямые линии , Computer-Aided Design 44(6), 591—596 [8].
Зиатдинов, Р., 2012. Семейство суперспиралей с полностью монотонной кривизной, заданной в терминах гипергеометрической функции Гаусса . Computer Aided Geometric Design 29(7): 510–518, 2012 [9].
Зиатдинов, Р., Миура КТ, 2012. О разнообразии плоских спиралей и их применении в автоматизированном проектировании . European Researcher 27(8–2), 1227—1232 [10].