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sábado, 27 de abril de 2013

El problema del campo de fútbol

campo_de_futbolUn curioso problema, que suelo proponer en clase a mis alumnos, en el que podemos utilizar los conocimientos geométricos aprendidos al estudiar el concepto de potencia, es el de determinar la posición óptima de disparo a una portería de fútbol desde una trayectoria dada.


Podemos suponer que el jugador que realiza el disparo tiene suficiente potencia para poder realizarlo desde cualquiera de los puntos de su trayectoria, siendo por tanto el más adecuado aquél que le ofrezca mayor ángulo de visualización de la portería como veremos a continuación.


Para simplificar el enunciado, sin restar generalidad al problema, supondremos que el jugador se encuentra en un punto P del campo y corre paralelo a la banda (según la dirección d). La portería quedará determinada por el segmento AB.


Trayectoria_del_jugador


La posición del jugador le permitirá ver a la portería bajo un cierto ángulo "alfa". Nuestro problema será por lo tanto encontrar un nuevo punto de la trayectoria "d" desde el que este ángulo sea máximo.


angulo_de_visión


Al repasar los conceptos de "arco capaz" sobre un segmento, podemos concluir que éste punto será aquél que pertenezca a una circunferencia que pase por los puntos A y B, que a la vez sea tangente a la recta d para que su diámetro sea mínimo.


Este planteamiento nos lleva a resolver el "Problema fundamental de tangencias" en el caso de dos puntos y una recta, que solucionábamos mediante los conceptos de potencia de un punto respecto a una circunferencia.


La recta AB será el eje radical de todas las circunferencias que pasan por dichos puntos, mientras que la recta "d" lo será de todas las que son tangentes a esta recta. El punto Cr de intersección de ambas rectas tendrá igual potencia respecto de las que pasan por A y B, y las tangentes a "d", por lo que podremos determinar este valor de potencia que será la distancia al punto solución.


Solucion_campo_de_futbol


En la figura se ha resuelto con una circunferencia auxiliar de diámetro AB. La potencia desde Cr será igual al cuadrado del segmento de tangencia que pasará por el punto T. El punto solución, S, distará esta longitud a Cr.


Geometría Métrica

sábado, 5 de mayo de 2012

Geometría métrica : Generalización del concepto de "Potencia"

generalizacion concepto potenciaEl concepto de potencia de un punto respecto de una circunferencia se basa en el producto de la mayor por la menor de las distancias de un punto a una circunferencia.


Estos valores de la distancia se dan en la cuerda que contiene al centro de la circunferencia y al punto, es decir, en el diámetro que contiene a dicho punto.


¿Es posible generalizar este concepto para considerar otras cuerdas que pasen por el punto P?




La potencia W de un punto P respecto de una circunferencia c es el producto de la mayor por la menor distancia del punto P a la circunferencia c.



[caption id="" align="aligncenter" width="321" caption="Potencia de un punto respecto de una circunferencia"]Potencia de un punto respecto de una circunferencia[/caption]

Si consideramos dos rectas que pasan por un punto P y seccionan a una circunferencia c, los puntos de corte con dicha circunferencia (A, B, C y D) determinan dos triángulos semejantes:

  • PAD

  • PCB


[caption id="attachment_13826" align="aligncenter" width="463" caption="Generalizacion del concepto de potencia"]Generalizacion del concepto de potencia[/caption]

En efecto, al aplicar los conceptos de arco capaz sobre un segmento, vemos que los ángulos en B y D deben ser iguales por ser inscritos en la circunferencia que pasa por los cuatro punto. Por otro lado los triángulos comparten el vértice P y por lo tanto su ángulo, y en consecuencia son semejantes.


Aplicando el teorema de Thales a los dos triángulos semejantes tendremos que:


PA/PD = PC/PB


y por lo tanto


PA * PB = PC * PD = Constante


Lo que demuestra que la potencia desde el punto P es independiente de la recta elegida, como queríamos demostrar.


Geometría métrica

jueves, 26 de abril de 2012

Geometría métrica : Concepto de "Potencia de un punto respecto de una circunferencia"

Potencia de un punto respecto de una circunferenciaEl concepto de potencia de un punto respecto de una circunferencia permite relacionar las nociones estudiadas en los teorema de Thales y Pitágoras y es la puerta para el estudio de los problemas de tangencias y transformaciones como la inversión.


Usaremos los conceptos de arco capaz sobre un segmento en nuestras demostraciones, por lo que se sugiere su repaso.


Este concepto se basa en el producto de dos segmentos y, como veremos mas adelante, permite determinar algunos lugares geométricos de gran importancia como por ejemplo el eje radical de dos circunferencias.


Definición de potencia


La primera definición de potencia se basa en determinar la máxima y mínima distancia a una circunferencia y obtener su producto métrico.



La potencia W de un punto P respecto de una circunferencia c es el producto de la mayor por la menor distancia del punto P a la circunferencia c.




[caption id="attachment_13662" align="aligncenter" width="321" caption="Potencia de un punto respecto de una circunferencia"]Potencia de un punto respecto de una circunferencia[/caption]


En la figura vemos que la potencia del punto P respecto de la circunferencia es el producto de los segmentos "m" y "n", mínima y máxima distancia desde el punto a la circunferencia. Estos segmentos se encuentran en el diámetro de la circunferencia que contiene al punto P.



Relaciones métricas de la Potencia


Podemos relacionar métricamente el concepto básico de potencia respecto de una circunferencia, mediante el teorema de pitágoras, con el segmento de tangencia que se obtiene desde el punto a la circunferencia.




La Potencia de un punto P respecto de una circunferencia es igual a la diferencia de cuadrados entre la distancia del punto P al centro C de la circunferencia y el radio R de la misma; también al cuadrado del segmento PT de tangente si P es exterior.



potencia generalizada


 Si tenemos en cuenta que el segmento "m" es igual a la distancia "d" del punto "P" al centro "C" de la circunferencia "c", menos el radio "R" de la misma (d-R), y que el segmento "n" es la suma de "d" y "R" (d+R) tendremos que:


Expresión de potencia


Como la suma de dos variables multiplicada por la diferencia es la diferencia de sus cuadrados, vemos que la potencia "W" es igual a la diferencia de los cuadrados de la distancia "d" y del radio "R" de la circunferencia. Esta expresión nos recuerda al cateto de un triángulo rectángulo, cuyo cuadrado es igual a la diferencia de cuadrados de la hipotenusa y del otro cateto (lado l).


Si el punto P es interior a la circunferencia no existirá el segmento de tangencia, pero podemos establecer igualmente la relación con los lados de un triángulo pitagórico.


potencia de un punto interior




La Potencia de un punto P respecto de una circunferencia es igual a la diferencia de cuadrados de la distancia del punto P al centro C de la circunferencia y el radio R de la misma y también al cuadrado del segmento  de semicuerda PT perpendicular a PC si P es interior.



relaciones métricas de la potencia para puntos interiores


Potencia de un punto (Wikipedia)

 Geometría métrica