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等角螺線及其他 (第 8 頁)

趙文敏

 


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.原載於科學月刊第二十卷第九期、第十期分兩期刊出
.作者當時任教於師大數學系
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其他螺線舉例

除了等角螺線外,數學上還有許多不同形式的螺線,像阿基米德螺線、雙曲螺線 (hyperbolic spiral)、拋物螺線 (parabolic spiral)、連鎖螺線 (lituus) 等,其中的阿基米德螺線最為有趣,我們略作介紹如下。

向徑與輻角的比值是常數時,其軌跡稱為阿基米得螺線。以極座標表示時,其方程式為 $r=a\theta$,其中 a 是常數。

早在古希臘時代,大數學家阿基米德就對這種螺線作過研究,並寫成一篇名為《On spirals》的作品。

在圖八中,PQR 是一把木匠用的曲尺,其短臂的內側 $\overline{PQ}$ 之長為 a,圓 O 的半徑也為 aAB 是圓 O 上兩點,而且 $\angle AOB$ 是直角。首先,將曲尺上的 PQ 分別置於 OB,然後將曲尺的長臂內側 $\overline{QR}$ 沿著圓 O 滾動,則在滾動過程中,P 點所經過的路徑就是阿基米德螺線 $r=a\theta$ 的一部份。為什麼呢?在圖八中,$\overline{QR}$ 已經滾動到與 O 相切於 T 點。則 $\overline{TQ}$ = 弧TB 的長。設 $\angle AOP=\theta$。於是,可得 $r = \overline{OP}$ = $\overline{TQ}$ = 弧 TB 的長 = $a\theta$(此處 θ 係以弳為單位)。

因為向徑與輻角成比例,所以,阿基米德螺線可用來將等角速運動轉換成等速直線運動,在圖九中,有一個心狀的圖形是由兩段全等的阿基米德螺線弧所接合而成,它們的極點都是 O,其上的 F 則連接在一個可上下移動的桿子上。當心狀圖形以等角速繞 O 點轉動時,就可帶動上面的桿子作等速直線運動。



圖八

將阿基米德螺線對其極點作反演變換 (inversion),所得的反演曲線是一雙曲螺線,所謂反演變換,其意義如下:設圓 O 的半徑為 k,而 P 是異於 O 的任意點。若 Q 點在射線 $\overrightarrow{OP}$ 上且滿足 $\overline{OP} \cdot \overline{OQ} = k^2$,則稱 QP 對圓 O 的反演像(inverse)。若 D 是極坐標系中的極點,則上式表示 P 的向徑 rQ 的向徑 r' 滿足 rr'=k2。設 C 為一曲線,則 C 上每個點對圓 O 的反演像所成的圖形,稱為曲線 C 對圓 O 的反演曲線。

根據上述定義,等角螺線 $r=ae^{\theta\cot\alpha}$ 對圓 O 的反演曲線為 $r=\frac{k^2}{a}e^{-\theta\cot\alpha}$,這是一個全等的等角螺線。阿基米德螺線 $r=a\theta$ 的反演曲線是 $r\theta=\frac{k^2}{a}$,這是雙曲螺線。

極坐標方程式為 $r^2\theta=a^2$ 的曲線稱為連鎖螺線,它對圓 O 的反演曲線為 $r^2=\frac{k^4}{a^2}\theta$,這曲線稱為費馬螺線,它是拋物螺線 $(r-a)^2=b^2\theta$ 的特殊情形。

習題:
1. 試證雙曲螺線 $r\theta=a$ 有一水平漸近線 y=a
2. 試證連鎖螺線 $r^2\theta=a^2$ 有一水平漸近線 y=0

   

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編輯:黃信元 最後修改日期:2/17/2002