Wielkie odkrycie 1691 — Huygens, Leibniz, Bernoulli

Krzywa łańcuchowa (katenaria)

Rozszerzenie tematu funkcji i wykresów (kontrast z parabolą). Swobodnie zwisający łańcuch przyjmuje kształt y = a·cosh(x/a) — katenarię, nie parabolę (mimo podobieństwa). Odwrócona katenaria to optymalny łuk (budowle Gaudíego, Gateway Arch). Wykazali to Huygens, Leibniz i Johann Bernoulli w 1691 r.

Krzywa łańcuchowa (katenaria)
Matematyka · Analiza matematyczna · Krzywa łańcuchowa (katenaria) (1691)
Parametr krzywej aa — „naprężenie" / prowis łańcucha0.9
Mniejsze aa ⇒ głębszy zwis; większe ⇒ łańcuch bardziej naprężony.
Swobodnie zwisający łańcuch (lina) tworzy kształt:
parametr a
0.90
prowis S
1.114
wys. zawieszenia
2.014
Δmax kat.−parab.
0.045
🎯 Wyzwanie: parabola czy łańcuchowa?
seria: 0

Dam Ci sytuację — oceń, czy kształt to krzywa łańcuchowa (cosh), czy parabola. Chwyt: ciężar własny liny ⇒ cosh; rzut lub y = x² ⇒ parabola.

Co widzisz na scenie?

Swobodnie zwisający, jednorodny łańcuch (lub lina) zawieszony za oba końce przyjmuje kształt krzywej łańcuchowej — po łacinie catena to „łańcuch". Nałożona przerywana parabola ma te same punkty zawieszenia i ten sam najniższy punkt, a mimo to obie krzywe się różnią.

Kształt krzywej łańcuchowej:

y=acosh⁡ ⁣(xa)=a2(ex/a+e−x/a)y = a\cosh\!\left(\tfrac{x}{a}\right) = \tfrac{a}{2}\left(e^{x/a}+e^{-x/a}\right)

gdzie cosh⁡\cosh to cosinus hiperboliczny, a parametr aa zależy od naprężenia i ciężaru łańcucha. Najniższy punkt jest na wysokości y=ay=a (bo cosh⁡0=1\cosh 0 = 1).

To NIE jest parabola

Przez długi czas sądzono — m.in. Galileusz — że zwisający łańcuch to parabola, bo krzywe wyglądają niemal identycznie. Dopiero w 1691 r. Huygens, Leibniz i Johann Bernoulli niezależnie wykazali, że to funkcja cosh⁡\cosh, a nie x2x^2. Katenaria jest nieco „pełniejsza" po bokach — to właśnie tę różnicę widać między żółtą a niebieską krzywą.

Odwrócona katenaria = idealny łuk

Gdy katenarię odwrócimy, otrzymujemy matematycznie optymalny kształt łuku: przenosi on obciążenie wyłącznie przez ściskanie, bez naprężeń zginających. Dlatego wybrał ją Antoni Gaudí w swoich budowlach, a także projektanci Gateway Arch w St. Louis.

Po co Ci to na maturze:

To piękny przykład, że subtelna różnica matematyczna (cosh⁡x\cosh x zamiast x2x^2) ma realne znaczenie w architekturze i inżynierii. Pokazuje też funkcje hiperboliczne w praktyce i uczy ostrożności: „wygląda jak parabola" nie znaczy „jest parabolą".

Zapamiętaj: swobodnie zwisający łańcuch to krzywa łańcuchowa y=acosh⁡(x/a)y = a\cosh(x/a) — nie parabola. Odwrócona daje idealny łuk.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Kształt zwisu

Swobodnie wiszący, jednorodny łańcuch przyjmuje kształt krzywej łańcuchowej (katenarii): y=acosh⁡xa=a2(ex/a+e−x/a)y=a\cosh\frac{x}{a}=\frac{a}{2}\left(e^{x/a}+e^{-x/a}\right)

To nie parabola

Parabola y∼x2y\sim x^2 wygląda podobnie, ale katenaria opisana jest kosinusem hiperbolicznym — przy bokach rośnie szybciej.

Odwrócona katenaria

Obrócona „do góry nogami” daje optymalny łuk nośny (budowle Gaudíego, Gateway Arch), bo przenosi obciążenie jako czyste ściskanie.

Oznaczenia: aa parametr (im większy, tym płytszy zwis), cosh⁡\cosh kosinus hiperboliczny.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Jaki kształt tworzy zwisający łańcuch?

Krzywą łańcuchową (katenarię) opisaną funkcją y = a·cosh(x/a) — nie parabolę.

›

Czym różni się katenaria od paraboli?

Wyglądają podobnie, ale to różne krzywe — katenaria jest nieco „pełniejsza" przy bokach.

›

Gdzie wykorzystuje się odwróconą katenarię?

Jako optymalny kształt łuku — w budowlach Gaudíego i w Gateway Arch w St. Louis.