المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية
معنى قوله تعالى زين للناس حب الشهوات من النساء
2024-11-24
مسألتان في طلب المغفرة من الله
2024-11-24
من آداب التلاوة
2024-11-24
مواعيد زراعة الفجل
2024-11-24
أقسام الغنيمة
2024-11-24
سبب نزول قوله تعالى قل للذين كفروا ستغلبون وتحشرون الى جهنم
2024-11-24

موت أحمس بننخبت ومآثره.
2024-04-15
الأغلفة المكونة للأرض بوجه عام - الغلاف الصخري - الستار
17-9-2019
بلسم كندا Canada balsam
5-3-2018
Isomerism in Complexes
18-6-2019
LASING MEDIUM (NITROGEN LASERS)
24-3-2016
شعراء الزهد
24-3-2016

Tautochrone Problem  
  
1628   02:08 مساءً   date: 12-10-2018
Author : Gardner, M.
Book or Source : The Sixth Book of Mathematical Games from Scientific American. Chicago, IL: University of Chicago Press
Page and Part : ...


Read More
Date: 8-8-2019 2266
Date: 21-5-2019 1764
Date: 17-9-2018 3288

Tautochrone Problem

Tautochrone

The problem of finding the curve down which a bead placed anywhere will fall to the bottom in the same amount of time. The solution is a cycloid, a fact first discovered and published by Huygens in Horologium oscillatorium (1673). This property was also alluded to in the following passage from Moby Dick: "[The try-pot] is also a place for profound mathematical meditation. It was in the left-hand try-pot of the Pequod, with the soapstone diligently circling round me, that I was first indirectly struck by the remarkable fact, that in geometry all bodies gliding along a cycloid, my soapstone, for example, will descend from any point in precisely the same time" (Melville 1851).

Huygens also constructed the first pendulum clock with a device to ensure that the pendulum was isochronous by forcing the pendulum to swing in an arc of a cycloid. This is accomplished by placing two evolutes of inverted cycloid arcs on each side of the pendulum's point of suspension against which the pendulum is constrained to move (Wells 1991, p. 47; Gray 1997, p. 123). Unfortunately, friction along the arcs causes a greater error than that corrected by the cycloidal path (Gardner 1984).

The parametric equations of the cycloid are

x = a(theta-sintheta)

(1)

y = a(1-costheta).

(2)

To see that the cycloid satisfies the tautochrone property, consider the derivatives

= a(1-costheta)

(3)

= asintheta,

(4)

and

= a^2[(1-2costheta+cos^2theta)+sin^2theta]

(5)

= 2a^2(1-costheta).

(6)

Now

 1/2mv^2=mgy

(7)

 v=(ds)/(dt)=sqrt(2gy)

(8)

dt = (ds)/(sqrt(2gy))

(9)

= (sqrt(dx^2+dy^2))/(sqrt(2gy))

(10)

= (asqrt(2(1-costheta))dtheta)/(sqrt(2ga(1-costheta)))

(11)

= sqrt(a/g)dtheta,

(12)

so the time required to travel from the top of the cycloid to the bottom is

 T=int_0^pidt=sqrt(a/g)pi.

(13)

However, from an intermediate point theta_0,

 v=(ds)/(dt)=sqrt(2g(y-y_0)),

(14)

so

T = int_(theta_0)^pisqrt((2a^2(1-costheta))/(2ag(costheta_0-costheta)))dtheta

(15)

= sqrt(a/g)int_(theta_0)^pisqrt((1-costheta)/(costheta_0-costheta))dtheta.

(16)

To integrate, rearrange this equation using the half-angle formulas

sin(1/2x) = sqrt((1-cosx)/2)

(17)

cos(1/2x) = sqrt((1+cosx)/2),

(18)

with the latter rewritten in the form

 costheta=2cos^2(1/2theta)-1

(19)

to obtain

 T=sqrt(a/g)int_(theta_0)^pi(sin(1/2theta)dtheta)/(sqrt(cos^2(1/2theta_0)-cos^2(1/2theta))).

(20)

Now transform variables to

u = (cos(1/2theta))/(cos(1/2theta_0))

(21)

du = -(sin(1/2theta)dtheta)/(2cos(1/2theta_0)),

(22)

so

T = -2sqrt(a/g)int_1^0(du)/(sqrt(1-u^2))

(23)

= 2sqrt(a/g)[sin^(-1)u]_0^1

(24)

= pisqrt(a/g),

(25)

and the amount of time is the same from any point.


REFERENCES:

Gardner, M. The Sixth Book of Mathematical Games from Scientific American. Chicago, IL: University of Chicago Press, pp. 129-130, 1984.

Gray, A. Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 1997.

Lagrange, J. L. "Sue les courbes tautochrones." Mém. de l'Acad. Roy. des Sci. et Belles-Lettres de Berlin 21, 1765. Reprinted in Oeuvres de Lagrange, tome 2, section deuxième: Mémoires extraits des recueils de l'Academie royale des sciences et Belles-Lettres de Berlin. Paris: Gauthier-Villars, pp. 317-332, 1868.

Melville, H. "The Tryworks." Ch. 96 in Moby Dick. New York: Bantam, 1981. Originally published in 1851.

Muterspaugh, J.; Driver, T.; and Dick, J. E. "The Cycloid and Tautochronism." http://php.indiana.edu/~jedick/project/intro.html

Muterspaugh, J.; Driver, T.; and Dick, J. E. "P221 Tautochrone Problem." http://php.indiana.edu/~jedick/project/project.html

Phillips, J. P. "Brachistochrone, Tautochrone, Cycloid--Apple of Discord." Math. Teacher 60, 506-508, 1967.

Wagon, S. Mathematica in Action. New York: W. H. Freeman, pp. 54-60 and 384-385, 1991.

Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, pp. 46-47, 1991.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.