La ruota quadrata : nascita del problema e una sua analisi

La ruota è considerata una delle invenzioni più rivoluzionarie della storia dell’uomo. Ha subito numerosi perfezionamenti nel tempo, ma la forma è rimasta sempre inalterata: un cerchio. Per questo motivo, una ruota di forma differente sembra un’idea bizzarra e inutile, men che meno una ruota quadrata.

Ruota quadrata

Nascita del problema della ruota quadrata

Ora immaginate di trovarvi nell’antico Egitto, e per la costruzione di un edificio dovete spostare dei pesantissimi blocchi di roccia squadrati. Quale potrebbe essere il metodo più efficace?

Gli antichi egizi notarono una cosa: se tagliavano in più parti dei tronchi di legno, e li disponevano per terra uno a fianco dell’altro, i blocchi potevano rotolare! Era la prima formulazione e soluzione approssimativa del problema: “Quale dovrebbe essere la forma della strada per far si che una ruota quadrata rotoli regolarmente?”.

Risoluzione analitica

Perchè le ruote rotolano? Tutta la loro efficienza deriva dal fatto che il loro baricentro rimane sempre alla stessa altezza, e che il peso è sempre perfettamente concentrato nel suo punto d’appoggio. Quindi, dobbiamo trovare un pavimento che permetta le stesse caratteristiche anche a una ruota quadrata.

Ruota quadrata

Vi invito a provare a risolvere questo problema, è necessario solo sapere un po’ di matematica da quinta liceo e avere un buon intuito.

Cerchiamo l’equazione di un singolo dosso, che permetta il rotolamento a una ruota quadrata di lato 2 (questo aiuta la risoluzione semplificando i calcoli). Il baricentro deve rimanere sempre alla stessa altezza.

Ruota quadrata
rappresentazione analitica del problema

Ecco in breve i passaggi risolutivi. Se affrontati senza timore, ci ricompenseranno, scoprendo una proprietà molto interessante di questa curva. Tranquilli, io cercherò di essere il più chiaro possibile, ma se la sola vista di integrali e equazioni differenziali vi causa un pochino di nausea, potete tranquillamente scrollare al prossimo sottotitolo, nessuno lo verrà mai a sapere. Forse 😉

Chiamiamo $B$ il segmento che unisce il baricentro del quadrato al punto di appoggio con la curva. La richiesta è che il baricentro sia sempre alla stessa altezza, quindi che $f(x) + B = \kappa$ dove $\kappa$ è una costante. Si nota facilmente che l’altezza deve essere esattamente metà della diagonale del quadrato, quindi $\kappa = \sqrt{2}$. Siamo sulla buona strada, dopo aver ottenuto $f(x) + B = \sqrt{2} $ , dobbiamo solo capire come varia $B$ rispetto a $f(x)$.

Se applichiamo il teorema dei seni al triangolo (guardate la figura qua sopra), otteniamo che $\frac{\sqrt{2}}{sin(90+\alpha)}=\frac{B}{sin(45°) }$ quindi che $B=\frac{1}{sin(90+\alpha)}$. Sostituiamo $sin(90°+\alpha)=cos(\alpha)$ e otteniamo $B=\frac {1}{cos(\alpha)}$. In seguito, sappiamo che il lato del quadrato è tangente alla curva, quindi che l’angolo $\alpha$ dipende dalla derivata della funzione. In particolare, $\alpha=\arctan{(f'(x))}$ . Ora ci siamo quasi.

Ripartendo da $f(x)+B= \sqrt{2} $, sostituiamo tutti i calcoli e otteniamo $ f(x) + \frac{1} {cos(arctan[f'(x)])} = \sqrt{2}$

Qui vengono in aiuto delle comode formule sulle funzioni goniometriche composte, in particolare $cos(arctan(x))=\frac {1} {\sqrt {1+x^2}}$

Sostituendo tutto, otteniamo che $f(x)+\sqrt {1+[f'(x)]^2} = \sqrt{2}$, una equazione differenziale piuttosto minacciosa. Per trovare la sua soluzione esatta ci manca solo un valore numerico. Per esempio, se vogliamo ottenere la curva simmetrica rispetto all’asse delle ascisse, $f'(0)=0$, è abbastanza intuitivo. Così otteniamo il seguente problema di Cauchy, sempre piuttosto minaccioso.

$\begin {cases}f(x)+\sqrt {1+[f'(x)]^2} = \sqrt{2} \\f'(0)=0\end{cases}$

A questo punto, Wolfram Alpha non è poi una cattiva idea. Tuttavia, se siamo proprio coraggiosi, possiamo proseguire e notare che nell’espressione compare solo $f(x)$ e mai la $x$, quindi è un’equazione differenziale a variabili separabili. Basta elevare tutto alla seconda per sbarazzarsi della radice, isolare $f'(x)$, separare $dy$ e $dx$ e integrare da entrambe le parti; una passeggiata praticamente.

Soluzione

Adesso che abbiamo risolto il problema, con o senza qualche aiutino, arriva la parte interessante. L’equazione del pavimento che permetterebbe a una ruota quadrata di rotolare è la seguente: $f(x) = \sqrt{2}-\frac{1}{2}(e^x + e^{-x})$, ovvero $f(x) = \sqrt{2} -\ cosh{(x)}$; vi ricorda qualcosa questa funzione? Siamo davanti a una catenaria!

(Nel caso non conosciate questo tipo di curva, vi invito a dare un’occhiata a questo articolo: La catenaria: una curva ricca di proprietà e che piace alla natura).

Bene. Una ruota quadrata rotolerebbe perfettamente su un pavimento fatto di catenarie rovesciate, ovvero la stessa figura che forma una catena tenuta sospesa tra due pali. Aspetta un secondo, perchè?? I due problemi sono correlati? Sarà una coincidenza? No, non fidatevi mai delle coincidenze della matematica.

Stiamo guardando la stessa situazione da 2 diversi punti di vista. La catena si dispone in modo che tutto il suo peso sia egualmente distribuito in ogni punto. In modo analogo, il baricentro della ruota quadrata, mentre rotola, coincide sempre con il punto d’appoggio, dunque il suo peso è egualmente distribuito in ogni punto della superficie sottostante. Di conseguenza, è chiara la correlazione tra le due curve, dubitate sempre delle coincidenze!

Inoltre, questa è esattamente la stessa proprietà per la quale la catenaria viene utilizzata in architettura: distribuire uniformemente il peso di un ponte o di un arco, per rendere più stabile e resistente la struttura.

Catenaria
Esempio dell’utilizzo di catenarie in architettura

Possibili applicazioni della ruota quadrata

Adesso, se fossimo nell’antico Egitto, saremmo in grado di spostare i nostri massi con il minimo sforzo e poter costruire il nostro bell’edificio. Ma a noi, a cosa è servito?

Analizzare e risolvere un problema ci permette di studiare e capire un modello semplificato. Con tutto ciò che abbiamo appreso, possiamo studiare situazioni simili, dalla maggiore complessità, ma più reali.

Per esempio, quale sarebbe la forma migliore per uno pneumatico da competizione per moto? Rotondo sì, ma se consideriamo la sua sezione? Bisogna avere una forma che permetta alla moto, anche se a grandi angoli di piega, di garantire la massima aderenza con il terreno.

Ruota quadrata
Sezione di uno pneumatico da moto

Sapreste dire quale equazione descrive il profilo dello pneumatico? O almeno quale sarebbe quello matematicamente ideale? Sicuramente ci troviamo davanti a un problema molto più complesso, nel quale entrano in gioco molte più variabili da tener conto. I diversi angoli di piega, la deformazione della gomma, la pressione interna… Ma aver risolto precedentemente il problema della ruota quadrata almeno ci fornisce indizi per approcciare il problema. Se siete appassionati di moto, vi lascio un video youtube a riguardo, da un punto di vista più fisico e ingegneristico, che personalmente ho trovato molto interessante:

Se invece siete più interessati solo all’aspetto matematico, potete provare a risolvere lo stesso problema non solo per una ruota quadrata, ma anche per una pentagonale, esagonale… Potete generalizzare e trovare la soluzione per un qualsiasi poligono regolare al variare del numero dei lati e delle sue dimensioni. Le ipotesi di partenza sono molto simili, diventa solo via via sempre più complesso. Vi sorprenderà forse sapere che la catenaria non salta fuori solo nello studio di una ruota quadrata, ma da qualsiasi tipo di ruota poligonale, con dei parametri leggermente variati. Se davvero vi siete innamorati dell’idea di trovare pavimenti per qualsiasi tipo di ruota, sono un po’ preoccupato per voi, ma vi lascio un articolo qua sotto che analizza il caso più generale possibile.

Per concludere, visto che abbiamo tanto parlato di ruota quadrata di qua e ruota quadrata di là, ma ancora non avete visto una sua applicazione, vi lascio qua sotto il video di una bicicletta bizzarra che scorre in modo perfettamente regolare su un pavimento composto da dossi:

Risorse per approfondire l’argomento

Generalizzazione totale: esiste un pavimento per ogni possibile ruota? https://www.researchgate.net/publication/254616950_Roads_and_Wheels

Il problema della ruota quadrata (esame di maturità 2017): https://redooc.com/it/superiori/matematica-maturita/soluzioni-matematica-maturita-2017/maturita-2017-problema-1-soluzione#problema1-introduzione

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    • grazie! Cerco spesso legami tra le due materie per aumentare l’interesse nella matematica e non fermarsi al solo punto di vista teorico.