una curva en un plano que gira alrededor de un punto central fijo a una distancia que aumenta o disminuye continuamente desde el punto.
una curva tridimensional que gira alrededor de un eje a una distancia constante o que varía continuamente mientras se mueve paralela al eje; una hélice .
La primera definición describe una curva plana , que se extiende en ambas direcciones perpendiculares dentro de su plano; el surco en un lado de un disco de gramófono se aproxima mucho a una espiral plana (y es por el ancho y la profundidad finitos del surco, pero no por el espaciamiento más amplio entre ellos que dentro de las pistas, que no llega a ser un ejemplo perfecto); nótese que los bucles sucesivos difieren en diámetro. En otro ejemplo, las "líneas centrales" de los brazos de una galaxia espiral trazan espirales logarítmicas .
La segunda definición incluye dos tipos de parientes tridimensionales de las espirales:
Un resorte cónico o de voluta (incluido el resorte utilizado para sostener y hacer contacto con los terminales negativos de las baterías AA o AAA en una caja de baterías ), y el vórtice que se crea cuando el agua se drena en un fregadero a menudo se describe como una espiral o como una hélice cónica .
De manera bastante explícita, la definición 2 también incluye un resorte helicoidal cilíndrico y una hebra de ADN , ambos bastante helicoidales, de modo que "hélice" es una descripción más útil que "espiral" para cada uno de ellos; en general, "espiral" rara vez se aplica si los "bucles" sucesivos de una curva tienen el mismo diámetro. [5]
En la imagen lateral, la curva negra de la parte inferior es una espiral de Arquímedes , mientras que la curva verde es una hélice. La curva que se muestra en rojo es una espiral cónica.
La involuta de un círculo (negra) no es idéntica a la espiral de Arquímedes (roja).
Una espiral de Arquímedes se genera, por ejemplo, al enrollar una alfombra. [6]
Una espiral hiperbólica aparece como la imagen de una hélice con una proyección central especial (ver diagrama). A veces, una espiral hiperbólica se denomina espiral recíproca , porque es la imagen de una espiral de Arquímedes con una inversión de círculo (ver abajo). [7]
El nombre de espiral logarítmica se debe a la ecuación . En la naturaleza se encuentran aproximaciones de esta.
Espirales que no encajan en este esquema de los primeros 5 ejemplos:
Una espiral de Cornu tiene dos puntos asintóticos. La espiral de Teodoro es un polígono. La espiral de Fibonacci consiste en una secuencia de arcos circulares. La involuta de un círculo parece una espiral de Arquímedes, pero no lo es: consulte Involuta#Ejemplos .
Propiedades geométricas
Las consideraciones que siguen tratan de espirales que pueden describirse mediante una ecuación polar , especialmente para los casos (espirales de Arquímedes, hiperbólicas, de Fermat, de Litius) y la espiral logarítmica .
Ángulo de pendiente polar
El ángulo entre la tangente espiral y el círculo polar correspondiente (ver diagrama) se llama ángulo de la pendiente polar y pendiente polar .
En el caso de una espiral de Arquímedes ( ) la pendiente polar es
En una espiral logarítmica , es constante.
Curvatura
La curvatura de una curva con ecuación polar es
Para una espiral con uno se consigue
En el caso de (espiral de Arquímedes) .
Solo porque la espiral tiene un punto de inflexión .
La curvatura de una espiral logarítmica es
Área sectorial
El área de un sector de una curva (ver diagrama) con ecuación polar es
Para una espiral con ecuación se obtiene
La fórmula para una espiral logarítmica es
Longitud del arco
La longitud de un arco de una curva con ecuación polar es
Para la espiral la longitud es
No todas estas integrales pueden resolverse mediante una tabla adecuada. En el caso de una espiral de Fermat, la integral puede expresarse únicamente mediante integrales elípticas .
La longitud del arco de una espiral logarítmica es
La imagen de una espiral bajo la inversión en el círculo unitario es la espiral con ecuación polar . Por ejemplo: La inversa de una espiral de Arquímedes es una espiral hiperbólica.
Una espiral logarítmica se proyecta sobre la espiral logarítmica
Espirales delimitadas
La función de una espiral suele ser estrictamente monótona, continua y no acotada . En el caso de las espirales estándar, se trata de una función exponencial o de una función de potencia. Si se opta por una función acotada , la espiral también lo estará. Una función acotada adecuada es la función arctan :
Ejemplo 1
La configuración y la elección dan como resultado una espiral que comienza en el origen (como una espiral de Arquímedes) y se aproxima al círculo con radio (diagrama, izquierda).
Ejemplo 2
Porque se obtiene una espiral que se aproxima al origen (como una espiral hiperbólica) y se aproxima al círculo con radio (diagrama, derecha).
Tridimensional
Dos curvas espaciales espirales bien conocidas son las espirales cónicas y las espirales esféricas , definidas a continuación. Otro ejemplo de espirales espaciales es la espiral toroidal . [8] Una espiral enrollada alrededor de una hélice, [9] también conocida como hélice de doble torsión , [10] representa objetos como filamentos de bobinas enrolladas .
Espirales cónicas
Si en el plano - - se forma una espiral con representación paramétrica
se da, entonces se puede agregar una tercera coordenada , de modo que la curva espacial actual se encuentra en el cono con ecuación :
Las espirales basadas en este procedimiento se denominan espirales cónicas .
Ejemplo
Partiendo de una espiral arquimediana se obtiene la espiral cónica (ver diagrama)
Espirales esféricas
Cualquier proyección cartográfica cilíndrica puede utilizarse como base para una espiral esférica : dibuje una línea recta en el mapa y encuentre su proyección inversa sobre la esfera, una especie de curva esférica .
Una de las familias más básicas de espirales esféricas son las curvas de Clelia , que se proyectan en líneas rectas en una proyección equirectangular . Se trata de curvas en las que la longitud y la colatitud están en una relación lineal, análoga a las espirales de Arquímedes en el plano; bajo la proyección equidistante azimutal, una curva de Clelia se proyecta en una espiral de Arquímedes plana.
Luego, al establecer la dependencia lineal para las coordenadas de los ángulos, se obtiene una curva paramétrica en términos del parámetro , [11]
Curva de Clelia
Loxodromo
Otra familia de espirales esféricas son las loxodromias , que se proyectan en líneas rectas en la proyección de Mercator . Se trata de las trayectorias trazadas por un barco que viaja con rumbo constante . Cualquier loxodromia (excepto los meridianos y paralelos) se despliega en espiral infinitamente alrededor de cada polo, cada vez más cerca, a diferencia de una curva de Clelia que mantiene un espaciado uniforme en colatitud. En la proyección estereográfica , una loxodromia se proyecta en una espiral logarítmica en el plano.
H. Vogel propuso un modelo para el patrón de florecillas en la cabeza de un girasol [13] . Este tiene la forma
donde n es el número de índice del flósculo y c es un factor de escala constante, y es una forma de espiral de Fermat . El ángulo 137,5° es el ángulo áureo que está relacionado con la proporción áurea y da como resultado un empaquetamiento compacto de flósculos. [14]
Las espirales en plantas y animales se describen frecuentemente como verticilos . Este es también el nombre que se le da a las huellas dactilares en forma de espiral .
Representación artística de una galaxia espiral.
Cabeza de girasol que muestra floretes en espirales de 34 y 55 alrededor del exterior.
Como símbolo
Se ha encontrado una forma similar a una espiral en Mezine , Ucrania , como parte de un objeto decorativo que data del 10 000 a. C. [ cita requerida ] Los motivos
en espiral y triple espiral sirvieron como símbolos neolíticos en Europa ( Templos megalíticos de Malta ). La triple espiral celta es, de hecho, un símbolo precelta. [15] Está tallada en la roca de un rombo de piedra cerca de la entrada principal del monumento prehistórico de Newgrange en el condado de Meath , Irlanda . Newgrange se construyó alrededor del 3200 a. C., antes de los celtas; las espirales triples se tallaron al menos 2500 años antes de que los celtas llegaran a Irlanda, pero desde hace mucho tiempo se han convertido en parte de la cultura celta. [16] El símbolo del triskelion , que consiste en tres espirales entrelazadas o tres piernas humanas dobladas, aparece en muchas culturas tempranas: los ejemplos incluyen vasos micénicos , monedas de Licia , estáteros de Panfilia (en Aspendos , 370-333 a. C.) y Pisidia , así como el emblema heráldico en los escudos de los guerreros representados en la cerámica griega. [17]
Las espirales son comunes en el arte precolombino de América Latina y América Central. Los más de 1400 petroglifos (grabados rupestres) de Las Plazuelas, Guanajuato , México , que datan de 750 a 1200 d. C., representan predominantemente espirales, figuras de puntos y modelos a escala. [18] En Colombia, las figuras parecidas a monos, ranas y lagartijas representadas en petroglifos o como figuras de ofrendas de oro con frecuencia incluyen espirales, por ejemplo en las palmas de las manos. [19] En la Baja América Central, las espirales junto con los círculos, las líneas onduladas, las cruces y los puntos son caracteres petroglifos universales. [20] Las espirales también aparecen entre las Líneas de Nazca en el desierto costero de Perú, que datan de 200 a. C. a 500 d. C. Los geoglifos se cuentan por miles y representan animales, plantas y motivos geométricos, incluidas espirales. [21]
Las espirales también son un símbolo de hipnosis , que se deriva del cliché de personas y personajes de dibujos animados que son hipnotizados al mirar fijamente una espiral giratoria (un ejemplo es Kaa en El libro de la selva de Disney ). También se utilizan como símbolo de vértigo , donde los ojos de un personaje de dibujos animados, especialmente en anime y manga , se convertirán en espirales para sugerir que están mareados o aturdidos. La espiral también se encuentra en estructuras tan pequeñas como la doble hélice del ADN y tan grandes como una galaxia . Debido a esta frecuente ocurrencia natural, la espiral es el símbolo oficial del Movimiento Panteísta Mundial . [22]
La espiral también es un símbolo del proceso dialéctico y del monismo dialéctico .
La espiral es un símbolo frecuente de purificación espiritual , tanto dentro del cristianismo como fuera de él (se piensa en la espiral como el símbolo neoplatónico de la oración y la contemplación, girando alrededor de un sujeto y ascendiendo al mismo tiempo, y como un símbolo budista para el proceso gradual en el Camino a la Iluminación ). [...] mientras que una hélice es repetitiva, una espiral se expande y, por lo tanto, personifica el crecimiento , conceptualmente hasta el infinito . [23]
La espiral ha inspirado a artistas de todas las épocas. Entre las obras de arte inspiradas en espirales más famosas se encuentra el movimiento de tierra de Robert Smithson , " Spiral Jetty ", en el Gran Lago Salado de Utah. [24] El tema de la espiral también está presente en el Spiral Resonance Field de David Wood en el Balloon Museum de Albuquerque, así como en el álbum conceptual de Nine Inch Nails de 1994, aclamado por la crítica , The Downward Spiral . La espiral también es un tema destacado en el anime Gurren Lagann , donde representa una filosofía y una forma de vida. También es central en el trabajo de Mario Merz y Andy Goldsworthy. La espiral es el tema central del manga de terror Uzumaki de Junji Ito , donde un pequeño pueblo costero se ve afectado por una maldición que involucra espirales. 2012 A Piece of Mind de Wayne A Beale también representa una gran espiral en este libro de sueños e imágenes. [25] [ cita completa requerida ] [26] [ verificación requerida ] La espiral enroscada es una imagen central en la iconografía gótica suburbana de la artista australiana Tanja Stark , que incorpora elementos de estufas eléctricas en espiral como símbolos de la alquimia y la espiritualidad domésticas. [27] [28]
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