Kultainen spiraali

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Approksimaalinen ja aito kultainen spiraali: vihreä spiraali muodostuu kutakin neliötä sisältä sivuavista neljännesympyröistä, kun taas punainen spiraali on kultainen spiraali, eras logaritmisen spiraalin erikoistapaus. Päällekkäiset kohdat ovat keltaisella. Suuremman neliön sivun pituus pienempään neliöön on kultaisessa suhteessa.

Kultainen spiraali on logaritminen spiraali, jonka kasvutekijä on φ, kultainen leikkaus.[1] Siis kultainen spiraali levenee (tai etenee kauemmaksi alkupisteestään) tekijän φ verran joka neljänneskierroksella jonka se kääntyy.

Yhtälö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kultaisen spiraalin napakoordinaattiyhtälö on sama kuin muille logaritmisille spiraaleille, mutta erikoisarvolla kasvutekijälle b:[2]

r = ae^{b\theta}\,

tai

\theta = \frac{1}{b} \ln(r/a),

jossa e on luonnollisten logaritmien kantaluku, a on mielivaltainen positiivinen reaalivakio, ja b sellainen, että θ on suora kulma (neljänneskäännös jompaankumpaan suuntaan):

e^{b\theta_\mathrm{right}}\, = \phi

Joten b on

b = {\ln{\phi} \over \theta_\mathrm{right}}.

b:n numeerinen arvo johtuu siitä onko suora kulma mitattu 90 asteena vai \textstyle\frac{\pi}{2} radiaanina; ja kun kulma voi olla kumpaan tahansa suuntaan, on helpointa kirjoittaa yhtälö b:n itseisarvolle (siis b voi olla myös tämän arvon vastaluku):

Fibonaccin spiraali approksimoi kultaista spiraalia; toisin kuin kultaiseen suhteeseen perustuva "kääntyvä suorakaide diagrammi", yllä, tässä käytetään neljännesympyrän kaaria Fibonaccin lukujen sivuisissa neliöissä, neliöiden sivujen pituuksilla 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ja 34.
|b| = {\ln{\phi} \over 90} = 0.0053468\, θ:lle asteina;
|b| = {\ln{\phi} \over \pi/2} = 0.306349\, θ:lle radiaaneina.

Vaihtoehtoinen yhtälö logaritmiselle ja kultaiselle spiraalille on:[3]

r = ac^{\theta}\,

jossa vakio c on:

c = e^b\,

mikä kultaiselle spiraalille antaa c:n arvot:

c = \phi ^ \frac{1}{90} \doteq 1.0053611

jos θ on mitattu asteina, ja

c = \phi ^ \frac{2}{\pi} \doteq 1.358456.

jos θ on mitattu radiaaneina.

Kultaisen spiraalin approksimaatioita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

History of Gold. Rersum 2007.jpg

On useita samanlaisia spiraaleita, jotka approksimoivat, mutteivat ole täsmälleen samoja kuin kultainen spiraali.[4] Näitä usein sekoitetaan kultaiseen spiraaliin.

Esimerkiksi, kultaista spiraalia voidaan approksimoida "kääntyvällä suorakaide diagrammilla," jossa spiraloivien kultaisten suorakaiteiden muodostamien neliöiden vastakkaiset kulmat ovat yhdistetty neljännesympyröillä. Lopputulos on erittäin lähellä aitoa kultaista spiraalia. (Katso kuva ylimpänä oikealla).

Toinen approksimaatio on Fibonaccin spiraali, mikä ei ole aito logaritminen spiraali. Se muodostuu sarjasta neljännesympyräisiä kaaria joiden säteet ovat peräkkäin kasvavia Fibonaccin lukuja. Joka neljännes käännös Fibonaccin spiraali levenee φ:n sijasta muuttuvan tekijän, joka on yhtäsuuri kuin Fibonaccin lukujonon termin suhde edeltäjäänsä, verran. Peräkkäisten termien suhteet Fibonaccin sarjassa lähestyvät φ:tä, joten spiraalit muistuttavat toisiaan.

Spiraaleja luonnossa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Approksimaalisia logaritmisia spiraaleja voi ilmetä luonnossa (esimerkiksi spiraaligalaksien kierteissä). Helmiveneiden kuorien joskus sanotaan levenevän kultaisen spiraalin mukaisesti, ja ne liittyvät siten sekä φ:hin että Fibonaccin sarjaan. Todellisuudessa, helmiveneiden kuorissa (ja monissa nilviäisten kuorissa) esiintyy logaritmisen spiraalin mukaista kasvua, mutta eri kulmassa kuin kultaisessa spiraalissa.[5] Tämä sallii organismin kasvun muotoa muuttamatta. Spiraalit ovat yleisiä luonnossa ja kultaiset spiraalit ovat yksi erikoistapaus niistä.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Chang, Yu-sung, "Golden Spiral", The Wolfram Demonstrations Project.
  2. Priya Hemenway (2005). Divine Proportion: φ Phi in Art, Nature, and Science. Sterling Publishing Co, 127–129. ISBN 1402735227. 
  3. Klaus Mainzer (1996). Symmetries of Nature: A Handbook for Philosophy of Nature and Science. Walter de Gruyter, 45, 199–200. ISBN 3110129906. 
  4. Charles B. Madden (1999). Fractals in Music: introductory mathematics for musical analysis. High Art Press, 14–16. ISBN 0967172764. 
  5. Sea Shell Spirals Science News. 2005-04-01. Society for Science & the Public.