ไซคลอยด์

ไซคลอยด์ (อังกฤษ: cycloid) คือเส้นโค้งชนิดหนึ่ง นิยามจากรอยเคลื่อนที่ของจุดจุดหนึ่งบนเส้นรอบรูปวงกลม (ล้อกลม) ซึ่งรูปวงกลมนั้นกลิ้งไปตามเส้นตรง ทำให้เกิดเส้นโค้งนูนเป็นลอนเป็นราย

ไซคลอยด์เกิดจากการกลิ้งล้อกลม

ไซคลอยด์เป็นตัวอย่างหนึ่งของรูเลตต์ (roulette) ซึ่งเกิดจากกลิ้งล้อกลมบนเส้นโค้งอื่น และเป็นกรณีหนึ่งของโทรคอยด์ (trochoid) ซึ่งจุดไม่จำเป็นต้องอยู่บนเส้นรอบรูปวงกลม

สมการ

ไซคลอยด์ที่สร้างขึ้นจากรูปวงกลมรัศมี r = 2 หน่วย

ไซคลอยด์ที่ลากผ่านจุดกำเนิด ซึ่งสร้างขึ้นโดยรูปวงกลมรัศมี r ที่กลิ้งบนแกน x มีสมการอิงตัวแปรเสริมดังนี้

$x=r(t-\sin t)\,$

$y=r(1-\cos t)\,$

เมื่อ t เป็นจำนวนจริง คือมุมในหน่วยเรเดียนที่รูปวงกลมกลิ้งไป (บางครั้งอาจใช้ θ แทน t)

เส้นโค้งชนิดนี้สามารถหาอนุพันธ์ได้ทุกตำแหน่งยกเว้น บัพแหลม (cusp) คือจุดที่สัมผัสกับแกน x ซึ่งอนุพันธ์จะกลายเป็น ∞ หรือ −∞ เมื่อเข้าใกล้จุดบัพแหลม ซึ่งตรงตามสมการเชิงอนุพันธ์สามัญดังนี้

$\left({\frac {dy}{dx}}\right)^{2}={\frac {2r-y}{y}}$

พื้นที่ใต้กราฟ

เนื่องจากไซคลอยด์หนึ่งรอบ ที่สร้างโดยรูปวงกลมรัศมี r จากสมการอิงตัวแปรเสริมด้านบน จะได้ค่าของตัวแปรเสริม t ที่มีค่าอยู่ในช่วง [0, 2π]

และเนื่องจาก

${\frac {dx}{dt}}=r(1-\cos t)$

เราสามารถคำนวณหาพื้นที่ใต้กราฟของไซคลอยด์หนึ่งรอบโดยการหาปริพันธ์ดังนี้

${\begin{aligned}A&=\int _{t=0}^{t=2\pi }y\,dx=\int _{t=0}^{t=2\pi }r^{2}(1-\cos t)^{2}\,dt\\&=\left.r^{2}\left({\frac {3}{2}}t-2\sin t+{\frac {1}{2}}\cos t\sin t\right)\right|_{t=0}^{t=2\pi }\\&=3\pi r^{2}\end{aligned}}$

นั่นคือเท่ากับสามเท่าของพื้นที่ของรูปวงกลม

ความยาวเส้นโค้ง

ความยาวของเส้นโค้งไซคลอยด์หนึ่งรอบ สามารถหาได้จากความยาวของส่วนย่อยๆ บนเส้นโค้ง ซึ่ง t มีค่าในช่วง [0, 2π]

${\begin{aligned}S&=\int _{t=0}^{t=2\pi }\left(\left({\frac {dy}{dt}}\right)^{2}+\left({\frac {dx}{dt}}\right)^{2}\right)^{1/2}\,dt\\&=\int _{t=0}^{t=2\pi }2r\sin \left({\frac {t}{2}}\right)\,dt\\&=8r\end{aligned}}$

นั่นคือเท่ากับแปดเท่าของรัศมีของรูปวงกลม

ดูเพิ่ม

• เอพิไซคลอยด์ (epicycloid)
• ไฮโพไซคลอยด์ (hypocycloid)
• โทรคอยด์ (trochoid)
• เอพิโทรคอยด์ (epitrochoid)
• ไฮโพโทรคอยด์ (hypotrochoid)

แหล่งข้อมูลอื่น

• เอริก ดับเบิลยู. ไวส์สไตน์, "Cycloid" จากแมทเวิลด์.
• Cycloids ที่ cut-the-knot