EXPERIMENTANDO
CON  LAS  CÓNICAS


1
En las imágenes de estas primeras simulaciones gráficas y computacionales se observan las trayectorias de proyectiles disparados con velocidades iniciales indicadas por los segmentos inclinados situados al comienzo de los recorridos de las trayectorias. 
 Estas simulaciones son trazadas de acuerdo al cálculo de los valores de las ecuaciones de la cinemática de las partículas materiales bajo un campo de gravedad constante y vertical, como puede suponerse que existe en una pequeña parte de la superficie de la tierra.
 Ya se sabe, desde hace tiempo, que si no hubiese rozamiento del aire y tampoco otros factores perturbadores,  tales trayectorias tendrían la forma de parábolas. 
 Nótese que el movimiento total puede descomponerse en dos movimientos: uno horizontal de velocidad uniforme, y otro vertical acelerado hacia abajo como el de tirar una piedra hacia arriba verticalmente . 

   

2
Estas segundas simulaciones se basan en la resolución numérica de las ecuaciones de Newton de la dinámica y de la gravitación. 
 Se simula el comportamiento de partículas materiales móviles bajo la acción de un campo gravitatorio central, aquí  supuestamente producido por una  gran masa.
Se muestran las trayectorias de una partícula orbitando, para diferentes valores de velocidad inicial con dirección vertical desde cierto punto de la horizontal que pasa por la masa que atrae.
 Nótese que se parte de curvas cerradas para bajas velocidades iniciales, llegando a curvas abiertas para más altas velocidades iniciales. 

   



 3
Las cónicas pueden ser definidas como lugares geométricos de puntos que cumplen ciertas propiedades métricas. Aquí se expresan las condiciones de la suma de distancias a los focos de la elipse y  de la proporción de excentricidad. 

d1+d2=constante     d2/de=excentricidad

En esta tercera simulación se ilustra  las verificación aproximada de las propiedades métricas que definen a las trayectorias de recorrido de las partículas del caso de simulación anterior mostrando por qué pueden ser consideradas cónicas y en este caso particular una elipse. 
 Se utiliza una curva de base obtenida en el punto anterior mediante la simulación dinámica. 
 Esto ilustra  elementalmente cómo partiendo de la experiencia física  puede obtenerse conocimiento de la geometría, o de otro modo, cómo del cumplimiento de las leyes de la dinámica por simulación  puede obtenerse cierto conocimiento de la geometría. 
 En la simulación se procede a expresar en forma entera aproximada las distancias entre el centro de atracción y la partícula que orbita, y entre la partícula y un eje directriz. 
 Para ello se ubican los focos y una directriz de una elipse, calculando su posición según las medidas de la órbita.
Se nota que se cumple con gran aproximación tanto la ley de la suma de las distancias, como la de la proporción de excentricidad respecto del eje directriz. 
Newton en sus Principios Matemáticos de la Filosofía Natural demuestra teórica y precisamente que los cuerpos que describen órbitas bajo un campo de gravedad central lo hacen sobre trayectorias cónicas. 
  Notar que los errores en la suma  y en la excentricidad calculadas en la simulación  son del orden menor al 1%, por lo tanto se puede en primera aproximación considerar que la órbita es elíptica.

   



4
Ya en la antigüedad a Apolonio trató con el problema de las cónicas consideradas como trazas de cortes de conos por planos. 
 Pueden clasificarse las cónicas según los ángulos   de inclinación de los planos de corte respecto de la apertura del cono que están cortando. 
 Cuando el ángulo de corte es mayor que el ángulo de apertura del cono la curva que se traza  es una elipse. Y podría agregarse que la excentricidad está entre cero y uno.
  Cuando el ángulo de corte es igual que el ángulo de apertura del cono la curva que se traza  es una parábola.  Y podría agregarse que la excentricidad es uno.
 Cuando el ángulo de corte es menor que el ángulo de apertura del cono la curva que se traza  es una hipérbola.  Y podría agregarse que la excentricidad es mayor que uno.
Nótese que el plano de corte en el caso de las hipérbolas corta al cono  en sus dos partes, la superior y la inferior, obteniéndose de este modo las dos ramas. 
 En las imágenes de los gráficos computacionales siguientes se observan diferentes posiciones de los planos que cortan solamente a la parte inferior del cono. 



 5
En las primeras tres imágenes se observa que el plano corta al cono a través de una elipse. 
 En  tres imágenes centrales se observa que el plano corta al cono a través de una parábola. 
En las últimas tres imágenes se observa que el plano corta al cono a través de una hipérbola. 
 
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6
Un matemático llamado Dandelin construyó una configuración geométrica que fácilmente demuestra que el corte de un cono por un plano es una curva cónica.  Aquí se toma un caso muy especial de cono, que es el cilindro, y que sería como un cono con el vértice en el infinito.  Con el auxilio de dos esferas tangentes, tanto al cilindro como al plano de corte, se obtienen fórmulas de las que se deduce la propiedad del lugar geométrico de la elipse, es decir, la suma de las distancias desde cada punto de la elipse de corte a dos puntos fijos sobre el plano de corte es constante.  El truco principal para esta demostración geométrica es el de percatarse de la igualdad de las longitudes de ambos segmentos de recta extendidos entre un punto exterior a una esfera y  sus sendos  puntos de tangencia sobre esa esfera. Nótese que aunque se cambie el punto elegido de la elipse para realizar la construcción de Dandelin, se sigue cumpliendo el esquema de cálculo de las distancias. 
 

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7
Recapitulando lo visto:
Las cónicas aparecen como formas geométricas que describen algunas de las posibles  trayectorias de cuerpos libres en el espacio al moverse interactuando recíprocamente.
Para demostrar esto precisamente, se utilizan las formulaciones de la dinámica para determinar la geometría,  como lo hizo Isaac Newton en los Principia.
Pero ilustrativamente pueden simularse computacionalmente los comportamientos de las partículas, haciendo que la computadora resuelva en cada paso numéricamente las ecuaciones del movimiento y de la atracción gravitatoria de los cuerpos, verificándose aproximadamente la validez de la consideración realizada.
Ya desde la antigüedad se estudiaron a las cónicas como las curvas engendradas por los cortes de conos por planos, y mediante programas computacionales gráficos pueden verse algunos casos. 
Y se termina uniendo ambos modos de considerar a las cónicas, tanto como trazas de corte que como conjuntos de puntos del plano que cumplen una propiedad geométrica, y esto se ilustra mediante la construcción de Dandelin.
Faltaría agregar que ciertamente hay relación entre la velocidad inicial de la partícula bajo acción de un campo gravitatorio central y la excentricidad de la cónica generada como trayectoria, pero de modo somero puede decirse que a partir de cierto valor de velocidad inicial, la excentricidad aumenta cuando la velocidad inicial aumenta. Y por esto, si la velocidad inicial es muy elevada se tienen trayectorias hiperbólicas, y al ir disminuyendola  se pasa por una trayectoria parabólica, llegándose luego a trayectorias elípticas.
 
  Leonard Echague- MateUBA Museum - FCEN - UBA
 

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