Roda a rolar tangencialmente e pelo exterior de outra roda

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O problema que sugeriu a abordagem do estudo das trajectórias de pontos de uma roda quando ela roda, sem deslizar, tangencialmente a outra roda foi sugerido pelo enunciado

Suppose a círcle of radíus r uníts Is rolled around the outsíde of a clrc1e of radius R uníts, R> r. If a marking instrument is attached to the smaller círcle at a particular poínt P, then the pattern created by this markíng instrument and the statíonary large circle will be that of a stylízed, petaled flower, provided r and R are related ln a special way. What is this specíal way in which r and R must be related in arder that there will be no "partial petals"?

lido da pagina 17 de Geometry / Axiomatic Developments with Problem Solving de Earl Perry, (publicado pela Marcel Dekker, Inc. NewYork:1992)

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Tomemos uma circunferência de centro $\;A\;$ raio $\;2\;$ e, sobre ela, um ponto $\;B.\;$ Tomemos outra circunferência tangente à primeira em $\;B.\;$ Nesta entrada, consideremos esta circunferência de centro $\;C\;$ e de raio $\;2.\;\; C,\; B,\; A\;$ são colineares e $\;CB=BA=2,\;$ que constituem os elementos de uma partida e chegada da experiência para estudo da trajectória de um ponto $\;B\;$ fixo de $\;(C,\;2)\;$ quando acompanha esta na sua deslocação tangencial a $\;(A,\;2)\;$

Quando a circunferência $\;(C, \;2)\;$ rodar em torno de $\;A\;$ de um ângulo $\; \alpha, \;$ tangencialmente percorre um arco de comprimento $\;2\alpha\;$ enquanto o seu centro $\;C\;$ percorre um arco de $\;\;(A, \;4)\;$ de comprimento $\;4.\alpha.\;$ Considerada $\;(C, \;B)\;$ a posição inicial, após rodar $\;\alpha\;$ em torno de $\;A\;$ ocupa uma posição $\;(C',\;T)\;$ em que $\;T\;$ é o novo ponto de tangência das duas rodas $\;(A, \;2),\;$(posição fixa) e $\;(C, \;2)\;$ (posição variável tangente à primeira). Ao rodar sem arrastamento, $\;B\;$ de $\;(C,\;2)\;$ passa à posição $\;F\;$ de $\;(D,\;2)\;$ (correspondente à posição $\;E\;$ de $\;(C, \;2)\;$ caso esta rodasse em torno de $\;C\;$ sem mudar de posição, o que é o mesmo que dizer sem rolar, já que o ponto de tangência manter-se-ia na posição do ponto $\;B\;$ de $\;(A, \;2).\;$) Dizer que $\;(C, \;2)\;$ rola sem deslizar tangencialmente a $\;(A, \;2)\;$ é dizer que as posições dos pontos de tangência $\;T\;$ ocupam um arco $\; \widehat{BOT}\;$ da circunferência $\;(A, \;2]\;$ de comprimento igual ao dos arcos $\; \widehat{BCE}\;$ de $\;(C,\;B)\;$ e $\; \widehat{TC'F}\;$ de $\;(C',\;2)\;$ que, para cada valor de $\;\alpha, \;$ é, no caso da nossa construção, $\; 2\alpha .\;$

Na nossa construção dinâmica, abaixo apresentada, pode deslocar o cursor (esquerda alta) para variar o ângulo $\;\alpha \;$ de rotação e ver a evolução do rolamento e do comportamento de $\;(C')\;$ e dos seus pontos. E pode sempre limpar o desenho, clicando no botão de reiniciar na direita alta





O que nos interessa será ver a trajectória do ponto $\;F\;$ (variável com as posições $\;(C',\;T),\;$ cada uma delas correspondente a um dos valores de $\;\alpha\;$ em $\;[0, \; 2\pi],\;$ no caso da nosssa construção).

Na esquerda baixa

• Os botões $\;\fbox{  >  }\; \mbox{e} \;\fbox{  ||  } \;$ permitem animar o rolamento e fazê-lo parar em qualquer momento.
• Clicando sobre a caixa $\;\fbox{   \\   }\;$ obtém o lugar geométrico dos pontos $\;F\;$ (em função de $\; \alpha\;$) e
• verificar que, no caso deste rolamento em que ambas as circunferências têm o mesmo raio, ao fim de uma volta completa - $\; 0 ≤\alpha ≤ 2\pi \;$ - $\;F\;$ parte de $\;B\;$ e chega a $\;B\;$ sem tocar noutro ponto de $\;(A, \;2)\;$ o que significa que se obtém uma flor em volta de $\;(A)\;$ de uma só pétala……… inteira e cordial
  em forma de coração ou cardióide.

Cicloides- 3

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Tomámos uma circunferência de centro $\;A\;$ tangente a uma linha reta num ponto $\;O\;$ - ponto de partida para a circunferência de raio $\;\overline{AO}.\;$ Estes pontos de partida representam as posições iniciais.

$\fbox{1.}\;\;$ A roda circular (circunferência e círculo) vai rolar sobre uma linha reta $\;r\;$ que sabemos passar por $\;O.\;$ Quando consideramos a rotação de um ângulo $\;\alpha\;$ em torno de cada posição de $\;A\;$ as novas posições de $\;(A,\;O)\;$ serão $\;(A',\;P)\;$ tais $\; \overline{AA'} = \overline{OP}= \overline{AO} \times \alpha \;$ comprimentos de segmentos de retas paralelas, sendo $\;P\;$ o novo ponto tangência da roda com a estrada $\;r\;$ e sobre a nova circunferência $\;(A',P)\;$ a posição correspondente a $\;O\;$ será um ponto $\;O''\;$ tal que $\; \angle P\hat{A'}O'' = \alpha,\;$ ou seja, o arco $\;\widehat{PA'O''},\;$ da circunferência $\;(A',P)\;$ correspondente a um ângulo ao centro de $\;\alpha\;$ radianos, terá comprimento $\overline{AO} \times \alpha = \overline{A'O'} \times \alpha =\overline{AA'}=\overline{OP}.\;$
As posições $\;O''\;$ descrevem uma curva a que chamamos ciclóide. Pode visualizar o comportamento das posições desse ponto, fazendo variar os valores em radianos de $\;\alpha \;$ no selector na direita alta da janela da construção e pode também ver essa curva apresentada como lugar geométrico, o terceiro do quadro de lugares geométricos na direita baixa


$\fbox{2.}\;\;$ Um ponto $\;B\;$ solidário com a circunferência $\;(A,\;O),\;$ no sentido de acompanhar as dores e as deslocações dela, de tal modo que as diferentes posições
  i)   $\;B'\;$ de $\;(A,\;B) \;$ correspondentes a cada amplitude $\; \alpha\;$ são tais que $\; \overline{AB} \times \alpha \;$ que é o comprimento do arco $\; \widehat{BAB'}\;$ correspondente ao ângulo $\; \alpha \;$ ao centro $\;A\;$ da circunferência $\;(A, B)\;$
  ii)   e, da mesma forma como vimos para $\;\overline{O'O''}, \;$ podemos concluir que $\; \overline{B'B''}=\overline{AB}\times \alpha > \overline{OP}\;\;$. Esta última desigualdade é óbvia por termos tomado $\;B\;$ exterior a $\;(A,O)\;$
Para compreender o comportamento de $\;B', B''\;$ pode reinicar a janela e mover o cursor de variação dos valores em radianos de $\; \alpha\;$ e é natural que consideremos a trajetória de $\;B''\;$ como uma cicloide (pelo menos, óbvia relativamente a $\;(A, B)\;$)

$\fbox{3.}\;\;$ O ponto $\;C\;$ interior a $\;(A,\;O)\;$ e as posições $\;C'\;$ da circunferência $\;(A, \;C)\;$ imagens de $\;C\;$ obtidas por Rotação$\;(A,\;\alpha)\;$ e as posições $\;C"\;$ imagens de $\;C'\;$ por translação segundo as direcção e sentido de $\;\overrightarrow{OP}\;$ e comprimento $\;\overline{AC}\times \alpha < \overline{OP}\;$ porque o ponto $\;C\;$ do interior de $\;(A,O)\;$ roda sobre a circunferência $\;(A, \;C)\;$ de raio $\;\overline{AC}\;$ menor que $\; \overline{AO},\;$ raio de $\;(A,O).\;$
Esta curva (lugar geométrico das posições $\;C''\;$) é uma cicloide tão naturalmente como as outras.


NOTA: Os casos das posições $\;A'\;$ e $\;P\;$ ou mesmo $\;O''\;$ podem ser considerados casos particulares das duas últimas...

Ciclóide - 2

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Na anterior entrada, apresentámos uma ilustração sobre a trajetória de um ponto com posição fixa relativamente à roda que percorre em linha recta uma caminho de comprimento igual ao comprimento do arco definido entre um posição de partida O sobre a linha reta e a posição do ponto P que roda em torno do centro da roda circular. A ilustração reduzia-se a uma distância máxima percorrida por uma roda circular de raio 1 e correspondente a uma só volta completa do ponto fixado na roda. Para esta entrada, generalizamos a anterior ilustração com uma roda de raio 2 e arcos de comprimentos que podem exceder uma volta de roda ($\;2\pi r, num caso em que $r=2$)....

Ciclóide
r=2
$\alpha\;$ qualquer. Como convenção da ilustração, tomámos um ponto de partida $\;O\;$ em que $\;P=O\;$ ou $\;alpha = 0\;$ em que $\;\alpha \;$ toma valores que ultrapassam $\;4\pi.\;$ É claro que podem tomar-se sentidos opostos tanto para as rotações como para as translações.

Ciclóide - 1

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Temos vindo a dedicar-nos a restaurar a visibilidade das construções dinâmicas que, por razões que nos são estranhas, foi prejudicada. Esse trabalho é lento e cheio de percalços e enganos. Pedimos desculpa e agradecemos ajuda para descobrir os nossos erros de restauração. Entretanto decidimos abordar alguns problemas de rastos de andarilhos sugeridos por um problema enunciado por Earl Perry, na pagina 17 de Geometry / Axiomatic Developments with Problem Solving

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Uma roda circular de raio $\;r\;$ pode rodar em torno do seu centro segundo um dado ângulo $\;alpha.\;$ Quando isso acontece, cada ponto da circunferência descreve um arco cujo comprimento é $\;\alpha r. \;$

Como sabemos o comprimento de uma circunferência é $\;2\pi r,\;$ ou seja, quando um ponto faz uma volta inteira percorre $\; 2\pi r cm\;$ se a unidade de comprimento for cm ou $\;2\pi\;$ se a unidade tomada for r e, obviamente, se roda $\; \alpha\;$ rad percorre um comprimento $\;alpha \;$ cm se $\;r = 1\;$cm ou $\;k.\alpha \;$cm se $\;r = k\;$ cm
Se fixarmos um ponto de uma roda circular de raio $\;r \;$ que roda sem deslizar em linha reta, o seu centro percorre um caminho em linha reta de comprimento $\;2\pi r\;$ enquanto qualquer ponto da sua circunferência dá um volta completa. E, obviamente, o centro percorre um caminho em linha reta de comprimento $\;\alpha r\;$ quando as posições relativas de um ponto fixo na circunferência fazem um ângulo ao centro $\;alpha,\;$ e um caminho correspondente a $\;\alpha r \;$ que, obviamente, não é em linha reta e é mais extenso que o $\;alpha r\;$ percorrido pelo centro da roda circular no seu deslocamento sem deslizamentos.

O problema é saber do rasto deixado pelo ponto considerado.


ciclóide
r=1

Estudo do Problema de Castillon

Problema: Inscrever numa dada circunferência um triângulo [DEF] em que cada um dos seus lados passa por um único de três pontos dados A, B, C : por exemplo $\;A\in FE, \;B \in ED, \;C \in DF\;$

Em síntese, a construção, que a seguir se apresenta, passo a passo, não é óbvia por não serem óbvios os elementos que vão sendo determinados em cada passo. Os autores de F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)- a propósito, esclarecem: "A síntese permite a quem sabe, expôr o que conhece; é habitual usá-la nos elementos de geometria, na demonstração de teoremas; mas a síntese não pode ser usada na resolução de problemas porque não pode indicar a priori cada uma das construções a fazer. A análise é por excelência, o método para descobrir; e, por conseguinte, usa-se constantemente na solução das questões que ainda não estudámos."
Fazendo variar o cursor $\;\fbox{n= 1, 2, … 10}\;$ pode seguir sucessivos passos da construção, envolvendo potências de pontos relativamente à circunferência dada que servem para provar igualdade de ângulos interessantes cuja utilidade é desvendada pela análise do problema resolvido (ou pelo resultado obtido :-).

Transcrevemos a seguir uma adaptação do excerto de metodologia para a resolução deste problema seguindo
F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)-
acompanhadas das figuras ilustrativas que lá se encontram.


Problema de Castillon: 51. On donne trois points $\;A, \;B, \;C,\;$ et une circonférence; inscrire dans cette circonférence un triangle $\;DEF,\;$ tel que chaque côté passe par un des points donnés.

Considerado o problema resolvido, a imagem ao lado esclarece que, sendo $\;GF\;$ paralela a $\;BC\;$ e que $\;GE\;$ interseta $\;BC\;$ em $\;H,\;$ sendo iguais os ângulos ($\;BHE\;$ ou) $\;\angle B\hat{H}G\;$ e $\: \angle H\hat{G}F\;$ alternos internos no sistema de retas paralelas $\;GF,\; BC\;$ cortadas pela secante $\;HG\;$ e também $\;\angle H\hat{G}F;$ e $\;BDC\;$ são iguais por estarem inscritos num mesmo arco $\;ETF.\;$ Assim sendo, são semelhantes os triângulos $\;BHE\;$ e $\;BCD\;$ com o ângulo $\;B\;$ comum e os ângulos $\;BHE\;$ e $\;CDB\;$ iguais. E, pelo menos, o ponto $\;H\;$ pode ser determinado por $\;HB.BC=BT^2.\;$ Começamos por aí. É preciso determinar um dos pontos $\;D,\; E\;$ ou $\;F\;$ para que o problema fique resolvido.

Por isso, podemos dizer que precisamos de resolver o seguinte
Problème
52. On donne deux points $\;A, \;H,\;$ une circonférence et une droite $\;BC.\;$ Déterminer sur cette circonférence un point $\;E,\;$ tel qu'en le joignant aux deux points donnés $\;A,\; H,\;$ la corde $\;FG\;$ soit parallèle à la droite $\;BC.\;$ Soit le problème résolu et $\;FG\;$ parallèle à $\;BC.\;$

Consideremos o problema resolvido e $\;FG\;$ paralela a $\;BC.\;$ De forma análoga ao feito no caso anterior, acrescentamos à ilustração (das condições do problema resolvido) uma paralela a $\;HA\;$ tirada por $\;F,\;$ que intersecta a circunferência dada em $\;L\;$ e traçamos a reta $\;LG\;$ que intersecta $\;HA\;$ em $\;M.\;$ Nestas condições, temos $\; \angle G\hat{F}L = \angle D\hat{H}M, \; \mbox{e} \; \angle F\hat{L}M+\angle L\hat{M}H = \pi, $ $\; \angle G\hat{E}F +\angle F\hat{L}M = \pi \; \;\mbox{sendo por isso,}\;\;\angle G\hat{M}H = \angle H\hat{E}A\; $ e, em consequência, $ \Delta [HGM] \sim \Delta [HEA],\;$ dos quais $\angle \hat{H}\; $ é ângulo comum. E é essa semelhança que nos permite escrever $$\frac{\overline{HM}}{\overline{HE}} = \frac{\overline{HG}}{\overline{HA}} \; \Leftrightarrow \overline{HM} \times \overline{HA}= \overline{HE} \times \overline{HG}= \overline{HT}^2 $$ que nos permite determinar sobre $\;HA\;$ o ponto $\;M,\;$ colinear de $\;G, \;L\;$ sendo $\;\angle B\hat{H}M = \angle G\hat{F}GL\; \Leftarrow \;(BH \parallel GF \wedge HM \parallel FL )$

E, assim, o problema de Castillon depende agora da resolução do
Problème
53. Par un point donné $\;M,\;$ mener une sécante telle que l'angle inscrit $\;L\hat{F}G\;$, qui correspond à la corde interseptée $\;GL,\;$ soit égale à un anglé donnée $\;A\hat{H}B.\;$

Por um ponto qualquer da circunferência dada, tiramos paralelas a $\;BH\;$ e a $\;MH\;$ ou seja inscrevemos na circunferência um ângulo de amplitude igual a $\; \angle B\hat{H}M\;$ Em seguida traçamos a corda correspondente a esse ângulo inscrito. As cordas correspondentes a ângulos inscritos iguais em amplitude a ele, são iguais e tangentes a uma circunferência concêntrica à dada. Determinada essa nova circunferência pelo centro e pelo pê da perpendicular da corda do dito ângulo inscrito com amplitude igual a $\; \angle B\hat{H}M,\;$ o problema de Castillon fica resolvido tirando por $\;M\;$ a tangente a ela que intersectará a circunferência inicialmente dada nos pontos $\;G, L\;$

Por esse ponto $\;G\;$, finalmente determinado, a paralela a $\;BC\;$ por ele tirada intersecta a circunferência inicial em $\;F.\;$
$\;D\;$ ficará determinado na circunferência pela reta $\;CF\;$ e
o ponto $\;E\;$ ficará determinado sobre a circunferência pela reta $\;DB\;$ ou pela reta $\;FA.\;$… $\blacksquare$