La clotoide, o espiral de Cornú, es la curva que cumple la condición
(1)
donde es la longitud del arco, el radio de curvatura, y el parámetro de la clotoide.
También se puede expresar como
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donde es la curvatura, inversa del radio de curvatura.
Figure 1:
Clotoide
Definición del problema
Para resolver la ecuación nos basamos en la definición de longitud de arco y de radio de curvatura (no son
particulares para el caso de la clotoide)
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Estas ecuaciones no están en coordenadas polares, sino que es el radio de curvatura, y el angulo en
radianes que forma la tangente en ese punto con el eje x.
Hacemos un cambio de variable para llegar a las famosas ecuaciones de Fresnel.
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(10)
(11)
(12)
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Vemos que la razón de la homotecia que vamos a aplicar a las
ecuaciones de Fresnel es , tanto en el valor de
longitud de arco en la entrada como en los resultados e en
la salida.
Las ecuaciones de Fresnel que resolvemos son:
(14)
(15)
Figure:
Figure:
Para resolverlas numéricamente las descompondremos en series de
potencias. Para lograr la convergencia en pocos términos,
dividimos, para valores pequeños de , en una serie de potencias
positivas (la serie de Taylor) y para valores grandes de
usaremos una serie de potencias negativas. El límite entre grande
y pequeño lo discutiremos más adelante.
Para poder aplicar el desarrollo en serie a la integral, esta debe ser absolutamente
convergente. En este caso lo son, por lo que podemos aplicar que
(16)
Desarrollo de Taylor
El desarrollo en serie de Taylor del coseno y del seno son:
(17)
(18)
El desarrollo de y por tanto:
(19)
(20)
Integrando estos polinomios entre 0 y , nos queda:
(21)
(22)
que podemos expresar de forma compacta así:
(23)
(24)
Desarrollo en serie de potencias negativas
En primer lugar calculamos una aproximación asintótica de la siguiente integral:
(25)
Integramos por partes y obtenemos
(26)
Integramos por partes en la integral que aparece en la fórmula (26). Así,
Utilizaremos la representación asintótica de la integral , ecuación (32), en la fórmula (33), para ello haremos el cambio de variable quedando entonces:
Sustituyendo el resultado obtenido en (35) en la ecuación (34) obtenemos:
(36)
La parte real de la segunda parte de la igualdad (36) corresponde a la integral y la parte imaginaria a .
(37)
(38)
donde
(39)
(40)
siendo
y
.
Conclusión
¿Cómo distinguimos entre grande y pequeño para elegir una
formulación u otra? En un primer tramo de la curva se comporta perfectamente
la serie de Taylor. De hecho se suele resolver con una cúbica.
Para altos valores de longitud de arco la serie de potencias negativas da buenos
resultados con pocos términos del sumatorio. La cuestión viene en la transición de uno a otro.
Para decidirnos por un valor, calculemos el punto de distancia miníma entre los valores calculados
con las dos fórmulas. El punto de corte corresponde a una longitud de arco de aproximadamente 4.28.
Para confirmar los cálculos hechos con Excel, usamos de referencia las integrales (14) y (15)
resueltas con http://www.scilab.org/Scilab. Con estos datos podemos dividir el rango de en 5 intervalos. De 0 a 1.5, ;
de 1.5 a 2.8 ; de 2.8 a 4.28 ; de 4.28 a 6.7 ; de 6.7 a ;
siendo y los términos de las series positiva y negativa.
Muchas gracias a María Muñoz por su inestimable colaboración.
Como ejemplo puedes mirar más herramientas en
Clothos
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