Брахистохрона

Брахистохрона
кривая быстрейшего ската (от греческих слов (βράχισ τος — кратчайший и χρόνος — время). В первоначальном своем значении слово это применялось к кривой, по которой материальная точка, двигаясь под влиянием одной только силы тяжести, переходит из одной данной точки в другую в кратчайшее время. В настоящее время то же название распространено и на случай действия на движущуюся точку каких угодно сил, не только силы тяжести. Задача о нахождении Б. имеет большой исторический интерес в математике, так как она привела к изобретению вариационного исчисления (см. это сл.). В 1697 г. Иван Бернулли, бывший тогда профессором математики в Гронингене, предложил геометрам задачу о кривой наименьшего ската, которую он определил следующим образом. Из некоторой точки А опущено тело; требуется найти, по какой кривой должно заставить его двигаться, чтобы оно пришло наискорейшим образом в некоторую другую точку В. Лейбниц решил задачу Бернулли в тот же день, когда он получил его программу. Оба условились не открывать никому своих решений и дать другим математикам целый год времени для состязания, о чем и было объявлено Иваном Бернулли во многих журналах. До истечения назначенного срока и почти в одно и то же время было опубликовано три решения задачи. Авторы их были: Яков Бернулли, профессор математики в Базеле, брат Ивана Бернулли; маркиз де л'Опиталь и Ньютон. Решение последнего было напечатано без имени автора в Трудах Лондонского королевского общества, но И. Бернулли тотчас отгадал автора. Все эти решения одинаково приходили к результату, что линия кратчайшего ската есть циклоида с горизонтальным основанием, выдающаяся точка которой находится в верхней из данных двух точек. В то же время было уже известно, что циклоида есть также тотохрона (см. это слово) для движения под влиянием силы тяжести, как показал Гейгенс. Раньше только что изложенного события, вопрос о Б. занимал умы некоторых ученых, но не мог быть решен вследствие недостаточности анализа. Так, напр., Галилей ошибочно думал, что дуга круга удовлетворяет условиям брахистохронизма. В практике Б. имеет применение при постройке так наз. гор, ледяных или дощатых (за границею они известны под именем "русских гор"). В самом деле, из свойства циклоиды как Б. следует, что наивыгоднейшая форма, которую можно придать горам, есть именно циклоидальная. Строители гор, не знакомые, конечно, с теоретическими изысканиями математиков, пришли, однако, сами, эмпирически, к такой форме, которая весьма близко совпадает с циклоидальною. Точное совпадение с циклоидой не требуется и самой теорией, которая доказывает, что циклоида есть Б. в том случае, когда не принимается в расчет сопротивление воздуха, которое, однако, во всех практических случаях имеет весьма малое значение.
Изложим способ, которым задача о Б. была решена самим Бернулли. Во-первых, очевидно сразу, что искомая кривая должна лежать в вертикальной плоскости, проходящей через две заданные точки А и В. Далее, легко видеть, что если время ската через всю кривую есть minimum, то и для каждого отдельного отрезка время ската по искомой кривой меньше, чем время ската по какой бы то ни было иной кривой, которою можно заменить этот отрезок. Воспользуемся следующим простым принципом: между двумя равными значениями какого-нибудь количества, изменяющегося непрерывно, должен находиться по крайней мере один maximum или minimum этого количества. Итак АС, СВ и АС', С'B суть две пары бесконечно малых сторон многоугольника такого свойства, что время ската по каждой паре одинаково, причем, кроме того, прямая СС' бесконечно малая величина второго порядка и горизонтальна. Тогда брахистохрона должна лежать между этими двумя путями и должна обладать всяким свойством, общим обоим путям. Опустим из точек С, С' перпендикуляры Са, С'a' на ВС' и АС, тогда мы должны иметь
Са':v = C'a:v'
где v, v' суть скорости движения по соответствующим прямым, которые, в течение бесконечно малого промежутка времени передвижения по проведенным прямым, можно считать постоянными. Пусть θ есть угол наклонения АС к горизонту, θ' угол наклонения СВ. Тогда будет
Са' = CC'cosθ, C'a = CC'cosθ'
откуда cosθ:v = cosθ':v'.
Эта формула должна иметь место для каждых двух последовательных элементов кривой, т. е. мы должны иметь постоянно v пропорционально cosθ. Но, с другой стороны, v2 пропорционально разности высот между начальным и данным положением точки; итак, искомая кривая обладает тем свойством, что косинус угла ее с некоторою постоянною горизонтальною прямою пропорционален расстоянию от прямой параллельной первой (т. е. так же горизонтальной), проходящей через начальную точку кривой. Таким свойством обладает циклоида. Аналитически задачу о Б. легко решить при помощи вариационного исчисления. Пусть ось x горизонтальна, ось у направлена по вертикали вниз; время ската будет
Нужно найти такую форму кривой, для которой этот интеграл обращается в минимум. Написав вместо ds его выражение (1 + y2), вместо v его выражение (2gy), имеем:
Откуда (1 + y'2) = c/√y или (ds)/(dy) = √[a/(a — y)],
где а = с2, а это есть дифференциальное уравнение горизонтальной циклоиды.
Если требуется найти Б. не между двумя заданными точками, а в более общем виде между двумя точками, лежащими на двух неподвижных кривых, уравнения которых заданы, то следует ввести в рассмотрение вариации конечных точек брахистохроны. Результат покажет, что Б. нормальна в конечной точке к кривой, на которую она скатывается, и что касательные к заданными кривым в точках пересечения их с Б. параллельны. Исследование второй вариации показывает, что она существенно положительная величина, а не обращается в ∞, т. е. найденное решение действительно выражает искомый минимум. В более общем виде — разыскание брахистохроны для точки, подверженной каким угодно силам, имеющим потенциал также сводится к разысканию минимума интеграла
т. е. к решению уравнения
т. е. к решению уравнения
или
или
Раскрывая эти выражения и принимая во внимание, что в конечных точках δx = 0, δy = 0, δz = 0 имеем три уравнения вида
[d/dt][(1/v)(dx/dt)] + X/v = 0.
Исключая из этих уравнений t и v, получим 2 дифференциальных уравнения в x, у, z искомой кривой. Исследование только что полученных трех уравнений показывает, что равнодействующая всех приложенных сил заключается в оскулирующей плоскости к Б. и что нормальная составляющая приложенных сил в Б. равна и прямо противоположна нормальной составляющей тех сил, при действии которых материальная точка описывала бы с тою же самою скоростью ту же кривую. Отсюда, напр., непосредственно следует, что при действии постоянной отталкивательной силы, исходящей из неподвижной точки, Б. есть парабола, фокус которой находится в данной точке; точно так же эллипс есть Б. для силы отталкивательной, исходящей из одного фокуса и обратно пропорциональной квадрату расстояния от другого фокуса, и т. п. В некоторых частных случаях центральных сил Б. есть эпициклоида (см., напр., Будаев, "Теоретическая механика").
И. Клейбер.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890—1907.

Игры ⚽ Нужна курсовая?
Синонимы:

Полезное


Смотреть что такое "Брахистохрона" в других словарях:

  • брахистохрона — брахистохрона …   Орфографический словарь-справочник

  • БРАХИСТОХРОНА — (от греч. brachistos кратчайший и chronos время) кривая быстрейшего спуска, т. е. та из всевозможных кривых, соединяющих две точки А и Б, вдоль которой тяжелый шарик, катящийся без трения из точки А, в кратчайшее время достигнет точки В. Если… …   Большой Энциклопедический словарь

  • брахистохрона — сущ., кол во синонимов: 1 • кривая (56) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • брахистохрона — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN brachistochrone …   Справочник технического переводчика

  • брахистохрона — (от греч. bráchistos  кратчайший и chrónos  время), кривая быстрейшего спуска, то есть та из всевозможных кривых, соединяющих 2 точки A и B (рис.), вдоль которой тяжёлый шарик, катящийся без трения из точки А, в кратчайшее время достигнет точки В …   Энциклопедический словарь

  • Брахистохрона — (от греч. bráchistos кратчайший и chrónos время)         кривая быстрейшего спуска, т. е. та из всевозможных кривых, соединяющих 2 данные точки А и В (см. рис.) потенциального силового поля, двигаясь вдоль которой под действием только сил поля с… …   Большая советская энциклопедия

  • брахистохрона — (гр. brachistos кратчайший + chronos время) мат. плоская кривая кратчайшего спуска, по которой тело, скользя без трения, быстрее всего пройдет из верхней точки в нижнюю; и. бернулли доказал, что б. является циклоидой. Новый словарь иностранных… …   Словарь иностранных слов русского языка

  • Брахистохрона — (от греч. βράχιστος  кратчайший и χρόνος  время)  кривая скорейшего спуска. Задача о её нахождении была поставлена в 1696 …   Википедия

  • БРАХИСТОХРОНА — кривая скорейшего спуска. Задача о ее нахождении, поставленная Г. Галилеем (G. Galilei) в [1], заключается в следующем: среди плоских кривых, соединяющих две данные точки Аи В, лежащие в одной вертикальной плоскости (Вниже А), найти ту, двигаясь… …   Математическая энциклопедия

  • БРАХИСТОХРОНА — (от греч. кратчайший и время), кривая быстрейшего спуска, т. е. та из всевозможных кривых, соединяющих 2 точки А и В (рис.), вдоль к рой тяжёлый шарик, катящийся без трения из точки Л, в кратчайшее время достигнет точки В. Если сопротивление… …   Естествознание. Энциклопедический словарь


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»