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Qué tan alto debe mi árbol de Navidad?

Esta pregunta se ha enfadado conmigo por los 20 años que hemos vivido en mi casa actual. Hay un abeto en la frente que me visto cada Navidad con luces. Se crece. Yo podar. Esto es lo que se ve con las luces encendidas...

Christmas lights on tree

Los bulbos (puntos púrpura) están todos en una sola cadena que empieza en la parte superior y en forma de espiral envoltura de abajo a la parte inferior. Hay 100 bombillas espaciados de 300 mm de distancia. He decidido que el árbol se ve mejor si la altura es el doble de la anchura en la base.

P. ¿Qué altura debo mantener el árbol, a fin de que todas las bombillas son equispaced de cada uno de los otros? Entiendo que esto significa que la próxima envoltura alrededor del árbol es de 300 mm en el eje Z por debajo de la anterior film. No perfecta equidistancia, pero que va a hacer para los vecinos y para mí.

(Hay preguntas similares, pero creo que no es tan específica.)

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Thanassis Puntos 66

Buena pregunta! He aprendido un par de cosas como que yo estaba buscando la solución.

Supongo que la longitud de la luz de la médula es $0.3\text{ meters} \times 99 = 29.7$m (explicación: En la foto que has publicado, parece que el cable comienza y termina con una bombilla de luz, así que hay $99$ segmentos entre, cada uno con una longitud de $0.3$m.

También asumo (como el estado en los comentarios) que desea que cada vuelta de tuerca a ser $0.3$m de distancia. Tenga en cuenta que este es no es el mismo que una bombilla de ser equidistante con las bombillas a su alrededor, como las bombillas de diferentes giros serán algo más aparte de $0.3$m. Pero es una buena aproximación. Además, creo que su original restricción (exactamente a la misma distancia de los bulbos), puede no ser posible con una cónicos en espiral. En cualquier caso, ya está bien con cada giro se $0.3$m de distancia, vamos a trabajar con esta suposición, ya que hace que el problema más fácil de resolver.

El general de ecuaciones paramétricas que definen un cónicos en espiral son: $$\begin{array}{rl} x =& t\cdot r\cdot \cos(\alpha \cdot t)\\ y =& t\cdot r\cdot \sin(\alpha \cdot t) \\ z =& t \end{array} $$ Donde $t$ es una variable que expresa la distancia vertical desde la punta del cono, $r$ es el radio del cono en $t=1$ $a$ es un parámetro que afecta a la forma densamente las vueltas de la herida alrededor del cono. El más grande es el $a$ el más denso de la liquidación.

¿Qué es $r$ en nuestro problema? Queremos que la altura a ser el doble del diámetro de la modalidad a distancia en $1$m de la punta del cono simplemente queremos $r = \frac14$ metros (todas las unidades de la distancia será expresada en metros).

Lo que debe $\alpha$? Considere la posibilidad de que $\alpha \cdot t = 2\pi$ significa una vuelta completa/giro alrededor del cono, y ya que queremos que el punto de partida de la vuelta de tuerca con el punto final de la vuelta de tuerca a ser $0.3$m de distancia, esto significa que $\alpha = \frac{2\pi}{0.3}$. Edit: no, esto significa que son $0.3$m de distancia en la dirección vertical ($t$ es la distancia vertical). Lo que necesitamos es que las espirales se $0.3$m de distancia sobre la superficie del cono. Así que, ¿cuánto es $t$ si la distancia sobre la superficie del cono es $0.3$? Si tomamos una sección transversal del cono podemos formar un triángulo rectángulo, donde la hipotenusa es $0.3$, de un lado (la distancia vertical) es $t$, y el otro lado es $t/4$. Aplicando el teorema de pitágoras nos encontramos con que $t = 0.3\cdot \frac{4}{\sqrt{17}}$. Así que queremos que $\alpha \cdot \left( 0.3\cdot \frac{4}{\sqrt{17}}\right) = 2\pi \iff \alpha = \frac{2\pi}{0.3} \cdot \frac{\sqrt{17}}{4}$

Hemos establecido los parámetros de $\alpha$$r$, por lo que nuestra cónico espiral se define completamente. Pero, ¿cómo podemos encontrar la altura del cono/árbol? La longitud de arco de una cónico espirales: $$\text{length}(t) = \frac12t \sqrt{1+r^2(1+\alpha^2t^2)}+\frac{1+r^2}{2\alpha r}\text{sinh}^{-1}\left( \frac{\alpha\cdot r\cdot t}{\sqrt{1+r^2}}\right)$$

Conectar $\text{length}(t)=29.7$, $r=\frac14$, $\alpha = \frac{2\pi}{0.3}\cdot \frac{\sqrt{17}}{4}$ podemos resolver para t para obtener $t \approx \bbox[5px,border:2px solid red]{3.295}$ metros.

Así que si usted hace su árbol sobre $3.3$ metros de alto y hacer sus giros sobre $0.3$ metros de distancia, entonces usted tiene la cobertura que usted desea.

He aquí cómo la bombilla espiral que podría parecer (fue un poco difícil el lugar de la $100$ bombillas en el gráfico, yo estaba feliz de que he conseguido en la final):

$\hspace{2cm}$Christmas tree conical spiral

Y aquí una vista lateral de la espiral. Como se puede ver hay alrededor de $11.5$ giros. Espero que esto le puede ayudar con sus luces de instalación. Feliz Navidad! :)

$\hspace{3cm}$Christmas tree conincal spiral side view

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