Los círculos gemelos del arbelos (II)

En Septiembre de 2014, Floor van Lamoen publicó su descubrimiento de un par de gemelos arquimedianos (círculos iguales construidos en un arbelos).

Sea el arbelos con un semicírculo de diámetro AB, mientras el punto C, móvil en AB, define dos semicírculos más pequeños de centros O1 y O2 en AC y CB respectivamente. Se trazan las perpendiculares a AB desde O1 y O2 que intersectan con el semícírculo mayor en D y E respectivamente. Los segmentos DA y DC intersectan con el semicírculo de centro O1 en F y G, respectivamente. Este segmento es el diámetro de un círculo arquimediano. De forma análoga se obtiene el segmento HK al intersectar EC y EB con el semicírculo de centro O2. Pues bien, este nuevo círculo arquimediano es 'gemelo' del obtenido anteriormente.

Se pueden mover los puntos A y B para modificar el segmento AB. Así mismo, al desplazar sobre ese segmento el punto C, se comprueba la igualdad de los círculos del arbelos. Desactivando el botón 'construcción' el arbelos toma el aspecto de un buho. Se puede observar la construcción 'paso a paso'.

Los círculos gemelos del arbelos (I)

En un arbelos hay dos círculos 'gemelos' que son tangentes al semicírculo mayor, a un semicírculo menor y al segmento vertical que divide al semicírculo mayor y es tangente a los semicírculos menores.

Sea el arbelos, construido sobre el segmento AB, de medidas:

$$ AB=1 \wedge AC=r, \rightarrow BC=1-r$$

Los radios de los círculos gemelos miden: $$ R=\frac{1}{2}r(1-r)$$

Observando la figura y aplicando el teorema de Pitágoras en los triángulos DFG y HEK se obtiene: $$DG=\frac{1}{2}r+R   \wedge  DF=\frac{1}{2}r-R \rightarrow GF=\sqrt{2rR}$$ $$KE=\frac{1}{2}(1-r)+R \wedge  HE=\frac{1}{2}(1-r)-R \rightarrow KH=\sqrt{2(1-r)R}$$

El punto G, centro de un círculo gemelo, tiene de coordenadas:

$$x_1=r-R=\frac{1}{2}r(1+r) \wedge y_1=\sqrt{2rR}=r\sqrt{1-r}$$

El punto K, centro del otro círculo gemelo, tiene de coordenadas:

$$x_2=r+R=\frac{1}{2}r(3-r) \wedge y_2=\sqrt{2(1-r)R}=(1-r)\sqrt{r}$$

Se pueden mover los puntos A y B para modificar el segmento AB. Así mismo, al desplazar sobre ese segmento el punto C, se comprueba la igualdad de los círculos del arbelos. Se puede observar la construcción 'paso a paso'.

Algoritmo de Moessner

El algoritmo, propuesto por el matemático Alfred Moessner en 1951 (aunque el resultado sería demostrado por Oskar Perrone al año siguiente), permite obtener las sucesiones de potencias de números naturales (como por ejemplo, la sucesión de los cuadrados, 1, 4, 9, 16, 25,…) a partir de la sencilla sucesión de los números naturales (1, 2, 3, 4, 5,...). Este método, de gran belleza, aparece en el libro The book of numbers de los matemáticos John H. Conway y Richard K. Guy.

En la serie de los números naturales eliminamos los múltiplos de 2 (dejamos un número y eliminamos el siguiente), y con los números resultantes se hacen las sumas acumulativas, obteniendo los cuadrados de los números naturales.

Ahora eliminamos los múltiplos de 3 (dejamos dos números y eliminamos el siguiente). Con los números resultantes dejamos uno y eliminamos el siguiente. Finalmente, con los números resultantes se hacen las sumas acumulativas, obteniendo los cubos de los números naturales.

Ahora eliminamos los múltiplos de 4 (dejamos tres números y eliminamos el siguiente). Con los números resultantes dejamos dos y eliminamos el siguiente.Con los números resultantes dejamos uno y eliminamos el siguiente. Finalmente, con los números resultantes se hacen las sumas acumulativas, obteniendo las cuartas potencias de los números naturales. Y así sucesivamente...

Sin embargo, este tipo de construcción se puede aplicar a situaciones más generales aún. Por ejemplo, ¿qué ocurriría, en la construcción de Moessner, si en lugar de mantener fija la distancia entre los números eliminados, se fuese incrementando dicha distancia. Un primer caso podría ser que se incremente en una posición la distancia anterior entre los números eliminados. En este caso obtendríamos los factoriales de los números naturales.

Proporción cordobesa

En uno de los triángulos formados por dos radios de la circunferencia circunscrita al octógono y uno de sus lados se aplica el teorema del coseno: $$L^2=R^2+R^2-2·R·R·cos45^o =2R^2(1-\sqrt 2/2)=R^2(2-\sqrt2) $$ $$L=R\sqrt(2-\sqrt2) \rightarrow c=\frac{R}{L}=\frac{1}{\sqrt(2-\sqrt2)}=1.306562964 \ldots$$ La proporción obtenida entre el radio y el lado se denomina proporción cordobesa y la constante irracional de proporcionalidad se llama número cordobés.

Se pueden mover dos vértices del octógono inicial para modificar su posición y tamaño. También se pueden mover dos vértices del rectángulo cordobés para girarlo y desplazarlo. Se puede observar la construcción 'paso a paso'.

El número cordobés es una de las soluciones de la ecuación bicuadrada: $$2x^4-4x^2+1=0 \rightarrow 2z^2-4z+1 $$ $$z=\frac{4+\sqrt 8}{4}=1+\frac{1}{\sqrt 2}\rightarrow x=\sqrt{1+\frac{1}{\sqrt 2}}$$ $$c=\frac{1}{\sqrt(2-\sqrt2)}=\sqrt{\frac{1}{2-\sqrt 2}}=\sqrt{\frac{2+\sqrt 2}{2}}=\sqrt{1+\frac{1}{\sqrt 2}}$$

La proporción cordobesa representa la proporción humana frente a la proporción divina, representada por el número áureo. La armonía humana se materializa en la relación entre la distancia de la cabeza hasta el ombligo y la distancia desde el ombligo a los pies. En la figura de la izquierda se observa la proporción cordobesa, mientras que en la figura de la derecha se muestra la proporción divina. Los actores griegos se calzaban los 'coturnos' para parecer más altos y así ajustarse a la proporción divina.

La proporción cordobesa, recibe su nombre al ser encontrada por primera vez en la geometría de la Mezquita de Córdoba, pero está presente también en otros muchos edificios, no necesariamente de la Córdoba Califal.

Fue Rafael de la Hoz Arderius (1924-2000), arquitecto cordobés, quien la introdujo en 1973  e hizo un estudio exhaustivo de su presencia. Su interés por la misma  le llevó a utilizarla en muchos de sus edificios proyectados.

Punto de Spieker

En un triángulo cualquiera se traza el triángulo medial, el que tiene como vértices los puntos medios de sus lados. Obtenemos su incentro que es el denominado punto de Spieker (S). En el triángulo inicial se obtienen su incentro (I), su circuncentro (C) y su ortocentro (O). El punto simétrico del (I) respecto del circuncentro (C) es un punto (B). Pues bien, este punto (B) es también el simétrico del ortocentro (C) respecto del punto de Spieker.

Se pueden mover los vértices del triángulo inicial para comprobar la propiedad.  Se puede observar la construcción 'paso a paso'.