같은 길이의 실을 풀면, 큰 원에서 끝점의 이동거리는 더 길까요?

원에 감긴 실을 같은 길이만큼 풀어 내는 이상 모형이에요. 원의 반지름이 달라질 때 풀어야 할 각도도 함께 바뀐다는 점을 반영해, 실 끝점이 지나간 경로의 길이를 비교해요.

나무 릴의 감긴 실과 탁자 위 느슨한 실 생성 이미지

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

길이가 같은 실을 작은 원과 큰 원에서 각각 풀면, 자유 끝점의 이동거리도 큰 원 쪽이 더 클까요? 실은 팽팽하고 늘어나지 않으며, 원 위 감긴 부분을 풀어 내는 이상 모형이에요. 반지름a>0에서 끝점 경로와 풀린 실 길이를 다음 식으로 줘요.

P(t)=a(cos⁡t+tsin⁡t, sin⁡t−tcos⁡t),ℓ=at,t≥0.P(t)=a(\cos t+t\sin t,\ \sin t-t\cos t),\qquad \ell=at,\quad t\ge0.

t는 시각이 아니라 푼 각도이며 라디안 단위예요. 두 좌표를 미분하면P′(t)=at(cos t,sin t)이므로 길이 변화율은at입니다. 실을ℓ만큼 푼 최종각은T=ℓ/a입니다. 경로 길이는 미분벡터의 크기를 적분해 구해요.

L=∫0ℓ/aat dt=ℓ22a,L2a=ℓ24a=L2.L=\int_0^{\ell/a}at\,dt=\frac{\ell^2}{2a}, \qquad L_{2a}=\frac{\ell^2}{4a}=\frac L2.

뜻밖에도 큰 원에서 끝점이 지나간 길이는 절반이에요. 원이 커진 효과만 보는 대신, 같은 실 길이를 풀기 위해 돌아야 할 각이 절반이라는 조건도 함께 반영한 결과예요. 같은각T를 고정했다면aT²/2는반지름에 비례하지만, 지금 고정한 것은T가 아니라ℓ입니다.

여기서 이동거리는 각 끝점 경로의 길이이며, 서로 다른 두 원의 시작점이 같다는 조건은 없어요. 두 끝점 사이 직선거리나 실제 실을 당긴 사람의 손 이동을 계산한 것도 아니에요.

‘반지름을 두 배로’라는 줄 옆에 그대로 둔 양이 각인지 실 길이인지 적어 봐요. 비례식의 모양이 같아도 마지막 적분 경계가 바뀌면 비교 결과가 바뀌어요.

착안: Mathcurve, Développante de cercle. 원의 인벌류트 식과 정의를 읽고, 같은 방출 길이에서 반지름을 비교하는 문항·증명은 새로 작성했어요. 원문 그림은 사용하지 않았어요.

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