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The Lumenary
Sendero del AsombroOpcional · nunca se calificaParte de Introductory calculus

How sharply does a road bend?

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La pregunta

Driving along a winding road, how sharply does it bend at each point? Is there a circle that fits the road best at each point — and what is its radius?

Prueba el experimento antes de seguir leyendo. No hay una forma equivocada de explorar.

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Experimento

La curvatura de una curva

Un punto recorre la curva. La circunferencia osculatriz es la que mejor se ajusta a la curva en ese punto; su radio es 1/κ.

TN
Curvatura con signo
κ = 0.447
Radio de curvatura
1/|κ| = 2.239

κ es positiva donde la curva se dobla hacia la izquierda al recorrerla, y negativa donde se dobla hacia la derecha. N es la tangente T girada 90° a la izquierda; el centro de la circunferencia osculatriz está a una distancia 1/|κ|, del lado hacia el que se dobla la curva.

∫ κ ds = 6.283 = 1.000 × 2π

Número de rotación 1: al dar una vuelta completa, la tangente gira en total 1 × 360°.

Umlaufsatz de Hopf: para una curva cerrada suave, ∫ κ ds = 2π × (número de rotación). Una curva cerrada simple (que nunca se corta a sí misma) recorrida en sentido antihorario siempre tiene número de rotación 1. El caracol con lazo interior tiene 2; el ocho tiene 0.

La longitud de arco y ∫ κ ds se calculan numéricamente a partir de derivadas exactas en miles de puntos, así que la última cifra puede variar.

Curvatura con signo κ frente a la longitud de arco s

1.80−1.8κs = 9.95s = 0

El área con signo bajo esta gráfica es ∫ κ ds (en verde azulado, por encima del eje, cuenta como positiva; en terracota, por debajo, como negativa). Los valores muy grandes cerca de una cúspide se recortan.

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Pistas, si las quieres

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    Qué está pasando

    Qué está pasando

    The circle that fits a curve best at a point — the limit of circles through three nearby points — is the osculating circle ("kissing circle"). If its radius is RR, the curvature of the curve there is κ=1/R\kappa = 1/R: a gentle bend has a large circle and small curvature, a hairpin has a small circle and large curvature, and a straight road has curvature 00.

    For the graph of y=f(x)y = f(x),

    κ=∣f′′(x)∣(1+f′(x)2)3/2.\kappa = \frac{|f''(x)|}{\bigl(1 + f'(x)^2\bigr)^{3/2}} .

    For the parabola y=x2y = x^2 at its lowest point, f′(0)=0f'(0) = 0 and f′′(0)=2f''(0) = 2, so κ=2\kappa = 2 and the osculating circle has radius 12\tfrac12.

    Curvature has a striking global property. Walk once around a simple closed curve, adding up the curvature as you go (counting bends to the left as positive and to the right as negative): the total is always 2π2\pi. Heinz Hopf proved this turning-tangent theorem in 1935. Road and railway engineers use curves whose curvature grows steadily — clothoids, or Euler spirals — so that the steering wheel turns smoothly instead of suddenly.

    Gauss extended curvature to surfaces, and found that the curvature of a surface can be measured by creatures living inside it, without leaving it. Riemann extended it to spaces of any dimension, and Einstein used that curvature to describe gravity.

    Probado computacionalmenteRedactado con IA · pendiente de revisión humana
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    Adónde lleva esto