תנועה מחזורית (הרמונית)

תנועות חוזרות על עצמן שוב ושוב: הרטט של גביש קוורץ בשעון, המטוטלת של שעון, תנודות קול המיוצרות על ידי קלרינט, תנועה קדימה ואחורה של הבוכנות במנוע מכונית, תנועת גלגל מסתובב ועוד.. סוג זה של תנועה נקראת תנועה הרמונית או תנועה מחזורית.

 נתאר תנועה הרמונית פשוטה של מסה m מונחת על משטח ללא חיכוך מחוברת לקפיץ חסר מסה המקובע לקיר.
דוגמא לתנועה הרמונית - מסה מחוברת לקפיץ
דוגמא לתנועה הרמונית - מסה מחוברת לקפיץ
 

העתקה, אמפליטודה ומחזור


כאשר הקפיץ רפוי המסה לא זזה, אך אם נמשוך אותה מרחק A בכיוון ציר x ונשחרר המסה תתחיל בתנועה מחזורית סביב נקודת שיווי משקל על ציר x עד למקסימום מרחקים A+ ו- (A-) מנקודת שיווי המשקל. מקובל לומר כי מיקומה הרגעי של המסה m על ציר x  הוא העתקה (displacement) , ו- A  היא האמפליטודה (amplitude), הערך המקסימלי שיכול להיות להעתקה x הוא האמפליטודה A הוא ערך חיובי תמיד. המחזור (cycle) הוא מהלך תנועה של המסה m ממרחק A מנקודת שיווי משקל עד A- (מנק' שיווי משקל) וחזרה לנקודה A.


x - העתקה של המסה m בתנועה הרמונית
x - העתקה של המסה m בתנועה הרמונית

זמן מחזור, תדירות והרץ


זמן מחזור (period) הוא הזמן שלוקח למסה m לבצע מחזור שלם, כלומר לעבור מרחק של 2A כפי שהוזכר לעיל. זמן המחזור מסומן בד"כ באות T.

התדירות f היא מספר המחזורים ביחידת זמן. התדירות היא מספר חיובי תמיד. יחידות של תדירות מקובלות הן הרץ, מספר מחזורים בשניה. 

המהירות הזויתית או התדירות הזויתית היא התדירות f מוכפל ב-  2𝜋  ומסומנת - w
לכן:  w = 2𝜋f . 
המהירות הזוויתית w נמדדת ברדיאנים לשניה, rad/sec.

מאמור לעיל נוכל לנסח את הנוסחאות:

יחסים בין זמן מחזור T לתדירות f:
f = 1/T
T = 1/f

 
יחסים בין מהירות זויתית לתדירות וזמן מחזור:   w = 2𝜋f = 2𝜋/T 

דוגמא:

מכשיר רפואי מסוג אולטרא סאונד עובד בתדירות של  6.67 Mhz , חשב את זמן המחזור של המכשיר ואת המהירות הזויתית.

פתרון:

זמן המחזור T והמהירות הזויתי, w נתונות ע"פ הנוסחאות לעיל, לכן:
דוגמא פתורה: חישוב זמן מחזור ומהירות זויתית בתנועה הרמונית

משפט: סכום כל שתי צלעות במשולש גדול מהצלע שלישית.

 משפט: סכום כל שתי צלעות במשולש גדול מהצלע שלישית.

נתון: BC>AB   ,  BC>AC


צריך להוכיח: AB+AC>BC

הוכחה:
משפט: סכום כל שתי צלעות במשולש גדול מהצלע שלישית.


הוכחת משפט: זווית חיצונית למשולש גדולה מכל אחת משתי הזוויות הפנימיות שאינן צמודות לה

משפט : זווית חיצונית למשולש גדולה מכל אחת משתי הזוויות הפנימיות שאינן צמודות לה
 
זוית חיצונית למשולש
זווית חיצונית למשולש
 
 
הוכחת משפט: זווית חיצונית למשולש גדולה מכל אחת משתי הזוויות הפנימיות שאינן צמודות לה

משפט: אם במשולש זווית אחת יותר גדולה מזווית שנייה, אז הצלע שמול הזווית הגדולה יותר גדולה מהצלע שמול הזווית הקטנה

משפט: אם במשולש זווית אחת יותר גדולה מזווית שנייה, אז הצלע שמול הזווית הגדולה יותר גדולה מהצלע שמול הזווית הקטנה

הוכחה:
הוכחת משפט: אם במשולש זווית אחת יותר גדולה מזווית שנייה, אז הצלע שמול הזווית הגדולה יותר גדולה מהצלע שמול הזווית הקטנה

משפט חפיפה רביעי: שני משולשים, השווים בשתיים מצלעותיהם ובזווית שמול הצלע הגדולה מביניהן – חופפים (צצ"ז)

משפט חפיפה רביעי: שני משולשים, השווים בשתיים מצלעותיהם ובזווית שמול הצלע הגדולה מביניהן – חופפים. (צצ"ז)

נתון:

משפט חפיפה רביעי
שני משולשים, השווים בשתיים מצלעותיהם ובזווית שמול הצלע הגדולה מביניהן

 AB = DE , BC = EF

AB < BC , AC < BC

EF > ED , EF > DF

Dי= A

 צריך להוכיח:



ABC ≅△DEF△

הוכחה:

איור שני משולשים

נניח בדרך השלילה שהמשולשים לא חופפים, במקרה זה AC ≠ DF (אם AC = DF אז המשולשים חופפים לפי צ.ז.צ). 

נניח שמתקיים AC > DF (אם AC <  DF  ההוכחה דומה).

נסמן נקודה G על AC כך שמתקיים DF = AG.

על פי משפט החפיפה צ.ז.צ נקבל : ABG ≅△DEF△ .

מהחפיפה נקבל ש - EF = BG, , אך נתון ש - BC = EF , לכן  BC = BG.

מכאן נקבל .

אך: .  ( חיצונית למשולש ABC).

ולכן גם .

אבל לפי הנתון AB<AC , כלומר וזאת סתירה.

מסקנה: DF = AC והמשולשים חופפים.

מ.ש.ל


משפט חפיפה שלישי: אם שלוש הצלעות במשולש אחד שוות בהתאמה לשלוש הצלעות


 אם שלוש הצלעות במשולש אחד שוות בהתאמה לשלוש הצלעות
אם שלוש הצלעות במשולש אחד שוות בהתאמה לשלוש הצלעות
משפט חפיפה שלישי: אם שלוש הצלעות במשולש אחד שוות בהתאמה לשלוש הצלעות במשולש שני, אז המשולשים חופפים.






בניית עזר להוכחת משפט חפיפה שלישי
בניית עזר להוכחת משפט חפיפה שלישי


משפט חפיפה שלישי: אם שלוש הצלעות במשולש אחד שוות בהתאמה לשלוש הצלעות

משפטי חפיפת משולשים נוספים

משפט חפיפה ראשון (אקסיומה): אם בשני משולשים שוות בהתאמה שתי צלעות והזווית שכלואה ביניהן המשולשים חופפים.

משפט חפיפה שני: אם בשני משולשים שוות בהתאמה שתי זוויות והצלע הכלואה ביניהן המשולשים חופפים.

משפט חפיפה רביעי: אם בשני משולשים שוות בהתאמה שתי צלעות והזווית שמול הצלע הגדולה מביניהן המשולשים חופפים.

משפט חפיפה שני: אם צלע ושתי הזוויות שלידה במשולש אחד שוות בהתאמה לצלע ושתי הזווית שלידה במשולש שני אז המשולשים חופפים.

משפט חפיפה שני: 
אם צלע ושתי הזוויות שלידה במשולש אחד שוות בהתאמה לצלע ושתי הזווית שלידה במשולש שני אז המשולשים חופפים.

הוכחת משפט חפיפה שני
הוכחת משפט חפיפה שני


הוכחת משפט חפיפה שני

משפט חפיפה ראשון: אם שתי צלעות והזווית שביניהן במשולש אחד שוות בהתאמה לשתי צלעות והזווית שביניהן במשולש שני אז המשולשים חופפים

משפט חפיפה ראשון:
משפט חפיפה ראשון צ.ז.צ
משפט חפיפה ראשון צ.ז.צ
 
 אם שתי צלעות והזווית שביניהן במשולש אחד שוות בהתאמה לשתי צלעות והזווית שביניהן במשולש שני אז המשולשים חופפים.

ניסוח משפט החפיפה הראשון בשפה מתמטית: אם בשני משולשים ABC ו- DEF מתקיים:
 
AB = DE
BC = EF
B =ן E

אזי:   ABC ≅ △DEF△

הערות:
א) משפט החפיפה הראשון הוא אקסיומה; כלומר לא ניתן להוכיח אותו.
ב) משפט החפיפה הראשון נקרא "צלע, זווית, צלע" או בקיצור צ.ז.צ.

הוכח: צלעות נגדיות במעוין מקבילות זו לזו (המעוין הוא מקבילית)

נתון: ABCD - מעוין
המעוין הוא מקבילית
מעוין
 
צריך להוכיח: AB||CD , AD||BC

הוכחה:


AB = CD  - נתון מאחר ו - ABCD מעוין

BC = AD  - נתון מאחר ו - ABCD מעוין


מכאן: המרובע ABCD מקבילית - אם במרובע כל זוג צלעות נגדיות שוות המרובע הוא מקבילית

ולכן  AB||CD , AD||BC

מ.ש.ל

הוכח: אלכסוני המעוין מאונכים זה לזה

נתון: מעוין ABCD
אלכסוני המעוין AC, BD נחתכים בנקודה O.
 
מעוין עם אלכסוניו
מעוין עם אלכסוניו
 
צריך להוכיח: אלכסוני המעוין מאונכים זה לזה  (AC ⊥ BD)

הוכחה:

השיטה: נוכיח חפיפת משולשים AOB, AOD, מהחפיפה נובע כי הזויות AOB, AOD שוות. מאחר והן על ישר (אלכסון BD), נובע כי הן ישרות ולכן האלכסונים מאונכים.

ההוכחה:

חפיפת משולשים AOB, AOD:

 AB = AD - צלעות המעוין שוות (הגדרת המעוין)
AO = AO - צלע משותפת למשולשים AOB, AOD
   - אלכסוני המעוין חוצים את זוויות המעוין

מכאן:
  - לפי צ.ז.צ

מהחפיפה נובע:
  - הזויות נמצאות במשולשים חופפים מול צלעות שוות, ועל ישר (קטע BD)

מכאן:     (AC ⊥ BD)

מ.ש.ל

הוכח: הגובה ליתר במשולש ישר זוית מחלק את המשולש לשני משולשים הדומים למשולש המקורי ולכן גם דומים זה לזה

נתון: משולש ישר זוית ABC
CO - גובה ליתר AB
 
משולש ישר זוית עם גובה ליתר
משולש ישר זווית עם גובה ליתר
 
 
צריך להוכיח: משולשים ABC, ACO, BCO דומים


הוכחה:



נוכיח דמיון משולשים ABC, OCA ע"י שוויון הזויות.

1:       -  נתון

2:       -  זוית משותפת למשולשים ABC, OCA


  - סכום זויות חדות במשולש ישר זוית (ABC) הוא 90 מעלות    

  - סכום זויות חדות במשולש ישר זוית (ACO) הוא 90 מעלות 

 מכאן:
3:    

שיוויונות 1,2,3 הן שוויון שלש זוויות במשולשים ABC, OCA , מכאן שהמשולשים דומים לפי ז.ז.ז


בדרך דומה ניתן להוכיח שוויון משולשים ABC, ABO ולכן גם ABO ו- ACO דומים מאחר וזוויות  המשולשים שוות בהתאמה.

במשולש ישר זוית חוצה הזווית הישרה חוצה גם את הזווית שבין התיכון לגובה

נתון: משולש ישר זוית  ABC שבו AB היתר כך ש:

CE גובה ליתר כך ש: 

CF תיכון ליתר כך ש: AF = BF

CO חוצה זוית C כך ש:



 
 חוצה זוית ליתר במשולש ישר זוית
 
 
צריך להוכיח:   


הוכחה:

השיטה:  נסמן את זוית B ב- β .

ונוכיח כי זויות FCB, ECA שוות ל- β.
ואז מתקבל כי זויות C1 ו- C2 שוות כי סכום כל אחת מהן עם  β הוא 45 מעלות
חוצה זוית ליתר במשולש ישר זוית
 ההוכחה:

AF = BF  - נתון ,  CF הוא תיכון ליתר AB במשולש ישר זוית ABC
מכאן: CF = BF - התיכון ליתר במשולש ישר זוית שווה למחצית היתר.
מכאן:    במשולש (CFB) מול צלעות שוות (CF, BF) מונחות זויות שוות


1:      - סכום זויות חדות במשולש ישר זוית (ACE) הוא 90 מעלות

2:    -    סכום זויות חדות במשולש ישר זוית (ABC) הוא 90 מעלות

 מכאן:   - נובע מ- 1 ו- 2


OC חוצה זוית ACB (נתון) לכן:  

מכאן:  

מ.ש.ל

משולש ישר זווית - משפטים והגדרות

משולש ישר-זווית הוא משולש בעל זווית ישרה.
במשולש זה, שתי הצלעות שכולאות את הזווית הישרה נקראות ניצבים, והצלע שמול הזווית הישרה נקראת יתר.
משולש ישר-זווית הוא הבסיס לפונקציות הטריגונומטריות.

משולש ישר זוית
משולש ישר זוית

תכונות משולש ישר זוית

הוכח: זוויות נגדיות במעוין שוות זו לזו

נתון:
מעוין שקודקודיו ABCD

מעוין
מעוין
 
צריך להוכיח: זויות נגדיות במעוין שוות זו לזו כלומר:

A = ∢C
B = ∢D
הוכחה:
שיטה: נוכיח חפיפת משולשים ABD ו- CDB ומהחפיפה נובע שוויון
הזויות: A, C
באותה שיטה מוכיחים שיוויון הזויות B, D.

ההוכחה:

AB = BC - נתון, נובע מהגדרת המעוין (מרובע שצלעותיו שוות)
AD = DC - כנ"ל - נתון
BD - צלע משותפת

מכאן נובע:   ABD ≅ △CDB△   - משפט חפיפה צ.צ.צ.

מהחפיפה נובע:   
A = ∢C
באותה דרך מוכיחים שיוויון זויות B, D ע"י חפיפת משולשים ABC, ADC.

האלכסונים בטרפז שווה שוקיים יוצרים עם הבסיסים משולשים שווי-שוקיים

נתון:

 טרפז שווה שוקיים ABCD שבו AB||CD , AD = BC

 
טרפז שווה שוקיים
טרפז שווה שוקיים
 
צריך להוכיח: OA = OB , OC = OD

הוכחה:


השיטה: נוכיח חפיפת משולשים BDC,  ACD,
מהחפיפה נובע כי זויות C1 ו- D1 שוות ולכן OC = OD (במשולש מול זויות שוות מונחות צלעות שוות)
באותה דרך ניתן גם להוכיח כי OA = OB

ההוכחה:

AD = BC  - נתון (טרפז שווה שוקיים)
AC = BD - בטרפז שווה שוקיים האלכסונים שווים
CD = CD - צלע משותפת
 מכאן נובע :   ACD  △BDC△  לפי משפט חפיפה שלישי צ.צ.צ

 מהחפיפה נובע :   
∠D1 = ∠C1

טרפז שווה שוקיים - הגדרה , תכונות ומשפטים

הגדרה

 
טרפז שווה־שוקיים הוא טרפז שזוויות הבסיס שלו שוות. בטרפז יש שני זוגות של זוויות בסיס, ואם הזוויות שוות בזוג אחד, הן שוות גם בשני. ההגדרה "מרובע בעל זוג צלעות מקבילות שצלעותיו האחרות שוות זו לזו" מתאימה לשני סוגי מרובעים: טרפז שווה-שוקיים, ומקבילית.
טרפז שווה שוקיים - Isosceles trapezoid
טרפז שווה שוקיים - AB||CD , AD = BC
 
אם משתמשים בהגדרה המרחיבה של טרפז, שבה אין כל תנאי על זוג הצלעות שאינן בסיסי הטרפז, הרי שכל מלבן הוא טרפז שווה-שוקיים. מקבילית שהיא גם טרפז שווה-שוקיים מוכרחה להיות מלבן.
 

שטח טרפז שווה שוקיים

 
שטח של טרפז שווה־שוקיים שווה לממוצע חשבוני של אורך הבסיסים כפול הגובה - מאחר שטרפז שווה-שוקיים הוא מקרה פרטי של טרפז.
 

תכונות של טרפז שווה־שוקיים


טרפז שווה שוקיים - AB||CD , AD = BC
טרפז שווה שוקיים - AB||CD , AD = BC
 
  • האלכסונים יוצרים עם הבסיסים משולשים שווי-שוקיים  OA=OB , OC=OD.
  • האלכסונים בטרפז שווה שוקיים יוצרים עם השוקיים שני משולשים חופפים.
  • קטע אמצעים חוצה את האלכסונים.
  • כל טרפז שווה-שוקיים הוא מרובע ציקלי, כלומר מרובע שניתן לחסום אותו במעגל.
  • גובה העובר דרך מפגש האלכסונים - חוצה את הבסיסים.
  • כאשר טרפז שווה-שוקיים חוסם מעגל, השוק שווה לקטע האמצעים.


משפטים על טרפז שווה שוקיים

זוויות הבסיס בטרפז שווה שוקיים שוות.