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CIENCIA5: HÉLICE (GEOMETRÍA). Una hélice, en geometría, es el nombre que recibe toda línea curva cuyas tangentes forman un ángulo constante (α), siguiendo una dirección fija en el espacio.

Hélice (geometría)

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Para otros usos de este término, véase Hélice.
GIF de una Helice

Una hélice, en geometría, es el nombre que recibe toda línea curva cuyas tangentes forman un ángulo constante (α), siguiendo una dirección fija en el espacio.

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[editar] Ecuación vectorial

Si su ecuación vectorial es bar{R} = bar{R}(s), siendo s el arco, quiere decir que existe un vector unitario bar{a} fijo tal que para todo s se verifica bar{T}(s) cdotbar{a}=cos alpha (constante).

[editar] Teorema de Lancret

Una caracterización de las hélices viene dada por el siguiente teorema conocido como teorema de Lancret.

Es condición necesaria y suficiente para que una curva sea una hélice el que se verifique frac{kappa}{tau}=cte, siendo tanα la constante.

Donde kappa , es la curvatura y tau , la torsión.

[editar] Hélices singulares

Las hélices más singulares son: la hélice circular, o hélice cilíndrica, la hélice cónica y la hélice esférica.

[editar] Hélice cilíndrica

Paso dos a derecha.
Paso dos a izquierda.
Paso tres a derecha.
Paso tres a izquierda.
Paso cuatro a derecha.
Paso cuatro a izquierda.
De una entrada a derecha.
De una entrada a izquierda.
De dos entrada a derecha.
De dos entrada a izquierda.
De tres entrada a derecha.
De tres entrada a izquierda.

Una hélice cilíndrica es una curva que corta a las generatrices de un cilindro recto con un ángulo constante. Es decir, que la distancia entre dos puntos de corte consecutivos de la hélice con cualquiera de las mencionadas generatrices (rectas paralelas al eje del cilindro y contenidas en su superficie externa) es una constante de la curva, independiente de la generatriz o los puntos escogidos, llamada "paso de hélice".

[editar] Expresión analítica

Desde un punto de vista analítico, una hélice queda definida por las siguientes expresiones parametrica:

x = r cos (omega , t) ,y = r sin (omega , t) ,z = k , t ,

Donde r es el radio de giro de la espiral,  omega , es el ángulo girado por unidad de tiempo, t es el tiempo y k es el avance en el sentido z por unidad de tiempo.

Si de la tercera ecuación:

z = k , t ,

despejamos t:

t = frac{z}{k} ,

y lo sustituimos en las dos primeras, tendremos:

x = r cos Big (frac{omega ,z}{k} Big ) ,y = r sin Big (frac{omega ,z}{k} Big ) ,

Como  omega , y  k , son valores conocidos y constantes, podemos definir:

 a =frac{omega}{k}  ,

con lo que tenemos:

x = r cos ( a ,z) ,y = r sin ( a ,z ) ,

Con lo que queda determinadas las coordenadas de la espiral, obteniéndose x e y en función de los parámetros de la espiral y de z.

[editar] Propiedades

  • La proyección de la hélice sobre un plano paralelo al eje del cilindro es una curva sinusoidal.
  • La geodésica de un cilindro recto de base circular es un arco de hélice (es decir, el camino más corto entre dos puntos situados en la superficie de un cilindro, que no salga de dicha superficie, es un trozo de hélice).
Forma de hélice cónica en la naturaleza.

[editar] Hélice cónica

Esta curva esta situada sobre un cono y siguiendo de forma paralela el eje longitudinal de éste, similar a la formada en un cilindro visto en perspectiva.

 x = z ; sin(t)  y = z ; cos(t)  z = k ; t

donde k es contante y t es la variable independiente.

[editar] Expresión analítica

x = t cos t,y = t sin t,z = a t,

[editar] Hélice esférica

Se denomina hélice esférica a la contenida en una superficie esférica. Por ser hélice se verificará frac{kappa}{tau}=tan alpha , (constante), o lo que es lo mismo tau = kappa cot alpha ,.

Por ser una curva esférica la esfera osculatriz será constante, siendo la esfera sobre la que está situada la curva. Entonces, el radio de la esfera osculatriz es constante. Por consiguiente frac{1}{kappa^{2}}+frac{kappa^{'2}}{kappa^{4}tau^{2}}=a^{2} (constante).

La hélice esférica.

Como tau = kappa cot alpha ,, será frac{1}{kappa^{2}}+frac{kappa^{'2}}{kappa^{6}cot^{2}alpha}=a^{2}

Haciendo el cambio kappa=frac{1}{rho}, se obtiene:

rho^{2}+rho^{2}rho^{'2}tan^{2}alpha=a^{2},, o lo que es lo mismo, :frac{rho drho}{sqrt{a^{2}-rho^{2}}}tanalpha=ds

Integrando la igualdad anterior se obtiene: -sqrt{a^{2}-rho^{2}}tanalpha=s+C.

Se puede hacer C = 0, tomando como origen de arcos el punto en el que kappa(s)=frac{1}{a} y por tanto rho = a ,.

Aceptando esta hipótesis y elevando al cuadrado -sqrt{a^{2}-rho^{2}}tanalpha=s se obtiene a^{2}-rho^{2}=s^{2}cot^{2}alpha,.

Como: rho=frac{1}{kappa}, será: a^{2}-frac{1}{kappa^{2}}=s^{2}cot^{2}alpha

y como kappa=tautanalpha,, resulta: a^{2}-frac{cot^{2}alpha}{tau^{2}}= s^{2}cot^{2}alpha, y por tanto:

s^{2}+frac{1}{tau^{2}}= a^{2}tan^{2}alpha

Las ecuaciones obtenidas anteriormente determinan las ecuaciones intrínsecas de las hélices esféricas. Despejando kappa^{2} y tau^{2}, se obtiene:

kappa^{2}=frac{1}{a^{2}-s^{2}cot^{2}alpha}tau^{2}=frac{1}{a^{2}tan^{2}alpha-s^{2}}


En el caso general, se obtiene como ecuaciones intrínsecas:

kappa^{2}=frac{1}{a^{2}-left(s+Cright)^{2}cot^{2}alpha}tau^{2}=frac{1}{a^{2}tan^{2}alpha-left(s+Cright)^{2}}

[editar] Véase también

[editar] Enlaces externos

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