Что измеряют степени?

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F – 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Сравнение температурных шкал

¹ Нормальная температура человеческого тела — 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F – это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

(oF – шкала Фаренгейта, oC – шкала Цельсия)

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T0=273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

Вы не задавались вопросом, почему в градусах измеряют настолько не связанные между собой вещи — углы и температуру? Скажем больше, градусами меряют плотность жидкости и качество молока и (да, мы не забыли) долю спирта. Gradus — латинское слово, означающее шаг, ступень или степень. Иными словами, у градуса, в отличие от метрических единиц измерения, нет конкретной величины, и он не соответствует никакому эталону, привязанному к тем или иным физическим параметрам. При этом размер градуса можно всякий раз устанавливать по-разному, и ничего не изменится. Кому и зачем могла понадобиться такая единица измерения? Давайте разбираться.

Углы

Со школы все мы знаем, что в окружности содержится ровно 360 градусов. Но почему именно 360? Ответить на этот вопрос можно по-разному.

По одной версии, древние астрономы, скорее всего персы и каппадокийцы, заметили, что солнце оказывается в одной и той же точке небосвода лишь один раз в 365 дней. Они объяснили это тем, что солнце совершает полный оборот вокруг земли за год и возвращается в исходную точку.

Возможно, они округлили число 365, а может, и просто пропустили пять дней, но в итоге заключили: солнце сдвигается на одну трехсот шестидесятую долю окружности в день.

Другая теория объясняет 360-градусный полный угол совсем другими причинами. Шумеры и вавилоняне пользовались (не самой удобной) шестидесятеричной системой счисления. Большие числа они считали шестидесятками (например, число 1020 это 17 шестидесятков).

Знаки шумерской шестидесятиричной системы счисления

Вписав в окружность правильный шестиугольник, вавилоняне заметили, что в круг отлично помещаются шесть равносторонних треугольников. Каждому треугольнику они приписывали по шестидесятку. В итоге, шесть треугольников по шестидесятку дали известные 360 градусов.

Шестидесятизначная система объясняет и деление градуса на 60 минут (‘) и 3600 секунд (“). Знак, которым мы сегодня обозначаем градусы (°), впервые был использован в математике в 1569 году, по аналогии с верхним штриховым индексом для минут и секунд.

Независимо от истории, полный угол в 360 градусов — лучший вариант из возможных, ведь 360 — сверхсоставное число (натуральное число, с бoльшим числом делителей, чем все предыдущие). Оно делится на все числа от 1 до 10 за исключением семи, а еще и на: 12, 15, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 60, 72, 90, 120 и 180. На такое количество частей вы можете разделить окружность простым вычислением в уме.

Геометрические градусы прошли проверку временем и оказались самой удобной единицей измерения углов. Но есть и другие.

Так, если у вас есть инженерный калькулятор, то, переключаясь между градусами (DEG) и радианами (RAD), вы, возможно, попадали в режим GRAD — это исчисление в градах (или гонах). Один град — это одна сотая часть прямого угла, а значит, полный угол равен 400 град.

Такая единица измерения появилась во времена Французской революции вместе с метрической системой и быстро всех запутала. Кроме проблем с названием, — в некоторых странах grad обозначали привычные градусы, — возникли трудности и с вычислением.

Например, как известно, углы равностороннего треугольника равны друг другу и составляют 60 градусов. Переведем это в грады — 66 целых и шесть в периоде, ужасно неудобно.

В отличие от метрической системы, без которой трудно представить нашу жизнь, вычисления в градах оказались не самыми простыми, сейчас их практически нигде не используют.

Но свой след в истории они оставили — именно благодаря градам стоградусная температурная шкала получила название шкалы Цельсия.

Температура

Как ни странно, температурные шкалы появились гораздо раньше термометров. Создателем первой шкалы можно считать Галена — древнеримского медика, хирурга и философа.

Гален утверждал, что существует некая нейтральная температура — он определил ее как температуру смеси одинакового количества кипящей воды и льда. От нейтральной температуры он отсчитал по четыре шага (ступени) в сторону тепла и холода.

Шведский теолог и физик Иоганн Хаслер на основании работ Галена построил таблицу температуры, опубликованную на страницах труда «De Logistica Medica problematis novem» в 1578 году. Он отложил те же четыре шага тепла и холода по разные стороны от нейтральной температуры, а также заметил, что шкалу можно заменить на последовательность чисел от единицы до девяти.

В таблице значения температуры называются просто «номерами», но в тексте Хаслер использует слово «градус». Нейтральная температура в его системе будет соответствовать числу пять.

Таблица температуры Иоганна Хаслера. Слева направо: первый столбец — шкала Хаслера, второй — шкала Галена, следующие столбцы связаны с рецептами лекарств

Первое устройство, похожее на современный термометр, создал Галилео Галилей приблизительно в 1597 году. Вслед за этим ученые почти 200 лет искали универсальную, удобную и точную шкалу температур.

Например, в 1701 году Исаак Ньютон в опубликованной анонимно работе (в ней он уже использует слово gradus для обозначения единиц тепла) предлагат 18 реперных точек, часть из которых формирует геометрическую, а другая — арифметическую прогрессии. В градусах Ньютона точка замерзания воды равна 0 градусов, а температура человеческого тела — 12 градусов.

В том же году известный астроном Оле Ремер (первым измеривший скорость света) предложил свой вариант. Нулем своей шкалы он выбрал температуру соленой воды со льдом, а вот температуру кипения воды — снова это магическое число — он обозначил как 60 градусов. Эту шкалу позаимствовал знакомый Ремера, Габриэль Фаренгейт.

Фаренгейт избавился от неудобных дробей, возникавших при измерении температуры человеческого тела (22,5 градуса) и замерзания пресной воды (7,5 градуса), заменив их на 24 и 8 градусов соответственно. Вода стала кипеть при 64 градусах Фаренгейта.

Некоторое время он производил термометры с такой шкалой, но потом, в 1724 году, умножил ее на 4. По одной версии, Фаренгейт просто хотел сделать шкалу точнее, поэтому увеличил количество рисок на градуснике, по другой — он сделал это, чтобы увеличение температуры на один Фаренгейт приводило к увеличению объема ртути ровно на одну десятитысячную.

Так появилась знаменитая шкала Фаренгейта, которой люди пользуются и сегодня. Некоторое время она была лучшей из возможных, но затем ей смену пришел более совершенный вариант. Хотя жители США навряд ли согласились бы с нами.

Жозеф Николя Делиль пошел несколько другим путем. Он выбрал всего одну реперную точку, температуру кипения воды, и обозначил ее за ноль. Градуировать шкалу он решил по расширению ртути в термометре — понижение температуры, приводящее к уменьшению объема ртути на одну стотысячную, Делиль обозначил за один градус.

Температура замерзания воды в таком случае — 2400 градусов, шкала оказалась излишне мелкой, поэтому в 1738 году Иосия Вейтбрехт изменил ее. Он задал температуру замерзания воды в 150 градусов.

Такие термометры стали удобными и получили широкое распространение. Ими примерно сто лет пользовались в России, Ломоносов использовал термометр Делиля (правда, перевернув шкалу) в своих опытах.

Только в этот момент на сцене появляется Андерс Цельсий. В 1741 году он наносит на термометр Делиля свою шкалу — 0 градусов в точке кипения и 100 градусов в точке замерзания воды. Перевернули шкалу (скорее всего, это сделал Карл Линней) через год после смерти Цельсия (он умер в 1744 году от туберкулеза).

Кстати, к 1745 году уже существовал термометр с нулем в точке замерзания и сотней градусов в точке кипения воды. Он называется термометром Лиона, его изобретатель — французский физик Жан-Пьер Кристен.

Заслуга Цельсия в другом — он провел эксперименты, продемонстрировавшие, что температура плавления льда практически не зависит от давления. Более того, он с высокой точностью определил, как температура кипения воды изменяется в зависимости от атмосферного давления.

Цельсий предложил калибровать ноль своей температурной шкалы (в тот момент, точку кипения воды) по атмосферному давлению, определить которое можно по среднему уровню моря.

Эта калибровка наконец сделала термометры по-настоящему универсальными. Вероятно, именно поэтому прогноз погоды, который вы смотрели сегодня утром, был в градусах Цельсия.

Но стоградусную температурную шкалу назвали в честь Цельсия только в 1948 году. До этого она так и называлась — стоградусной температурной (centigrade temperature scale). Но во французском (где использовали грады) термин centigrade уже был занят в геометрии.

Чтобы избежать путаницы, Международное бюро мер и весов переименовало шкалу в честь Андерса Цельсия. Так градусы температуры стали градусами Цельсия.

Диаграмма перевода температур, на которой указаны основные температурные шкалы

Шкала Цельсия оказалась идеальной для применения в быту, но физики остались ею недовольны.

Привязка реперных точек к свойствам воды очень удобна для экспериментов, ведь воду можно найти практически где угодно. А вот для теоретических вычислений, например, связи энергии молекул с температурой, требовалось найти абсолютную шкалу.

Ее создал Уильям Томсон в 1848 году — нулевая точка его шкалы соответствует абсолютному нулю, а цена деления равна градусу Цельсия. Новую шкалу назвали в честь Томсона (ставшего лордом Кельвином), а градус Цельсия в ней превратился в Кельвин. Но почему Кельвин — это не градус?

Дело в том, что шкала Кельвина — это шкала абсолютной температуры. Все шкалы, о которых шла речь выше — произвольные, ведь для их градуировки были выбраны произвольные точки.

Шкалу Кельвина отсчитывают от абсолютного нуля — минимального предела температуры во Вселенной, она тесно связана с энергией молекул через постоянную Больцмана. Чтобы подчернуть, что речь идет об абсолютной температуре, Кельвин не называют градусом.

Цвет

Получается, температура в Кельвинах нужна только физикам? Нет, вы наверняка пользовались Кельвинами в бытовом отделе супермаркета, просто не подозревали об этом.

Выбирая оттенок света лампочки, мы обращаем внимание на цветовую температуру (например, 2800К), она измеряется в Кельвинах.

Такой свет будет испускать абсолютно черное тело, нагретое до указанной температуры. Так цвет измеряют температурой, а не в длинной волны, ведь излучение нагретого тела, как и лампочки, не монохроматично (состоит из множества частот).

Алкоголь

Из бытового отдела переместимся в отдел алкоголя и снова увидим там градусы. А точнее — объемные проценты, называемые градусами.

В России крепость алкогольных напитков в градусах Гесса стали измерять с 1847 года, когда академик Герман Гесс выпустил книгу «Учет спиртов».

Официально перестали оценивать крепость в градусах Гесса уже в 1863 году, когда на их место пришли объемные проценты — отношение объема этилового спирта к общему объему напитка. А слово «градус» осталось.

Кстати, английское degree (градус) не имеет никакого отношения к алкоголю, а вот во Франции скажут, что в коньяке 40 градусов Гей-Люссака.

Плотность, кислотность молока

До середины XX века в химии и фармакологии широко использовались градусы Боме, предложенные Антуаном Боме в 1768 году для измерения плотности жидкости.

В физике и химии градусы Боме были вытеснены нынешней единицей СИ — килограммом на метр в кубе, но их продолжают использовать в пивоварении, переработке сахарной свеклы и других областях.

Кислотность молока также измеряют в градусах — в градусах Тернера. Это число миллилитров децинормального (0,1 н.) раствора гидроксида натрия, необходимое для нейтрализации 100 миллилитров молока. Молоко высшего сорта должно обладать градусом Тернера в пределах от 16 до 18.

Определение угла

Угол — это простая геометрическая фигура. Определение угла напрямую связано с понятием луча.

Луч — прямая линия, у которой есть начало, но нет конца, и продолжается она только в одну сторону.

Если нам дана прямая a на плоскости, и на ней есть некоторая точка O — выходит, что прямая разделена точкой на две части, каждая из которых является лучом с началом в точке O.

Луч можно обозначить одной строчной буквой латинского алфавита или двумя прописными. Например, вот так:

Угол — часть плоскости между двумя линиями, исходящими из одной точки. Каждая сторона угла является лучом, а вершина — общим началом сторон.

Что такое вершина и стороны угла

В математике существует специальный символ для обозначения угла, вот он: ∠.

Если стороны угла названы малыми латинскими буквами, то их записывают после символа. Например, так: ∠ab или ∠ba.

Если стороны угла названы большими буквами, то обозначение угла будет состоять из символа и трех букв, при этом вершина всегда записывается в центре. При сторонах угла OA и OB название угла запишем так: ∠AOB и ∠BOA. Также можно назвать угол одной большой буквой, которая указывает на его вершину, например: ∠O.

Иногда встречается обозначение в виде цифр — так тоже можно.

Для наглядности — все способы обозначения углов:

Так как угол делит плоскость на две части, одна будет внутренней областью угла, а другая — внешней областью угла. Вот так:

Единица измерения углов — градусы. Символ для обозначения градуса угла: °.

Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почтуРеши домашку по математике на 5.Подробные решения помогут разобраться в самой сложной теме.

Виды углов

Есть разные типы углов и у каждого своё название:

• острый
• прямой
• тупой
• развернутый
• выпуклый
• полный

Различать виды углов в геометрии важно. Определять можно на глаз или с помощью линейки.

Прямой угол — это угол, стороны которого перпендикулярны друг другу. Прямой угол всегда равен 90°.

Если два смежных угла равны между собой, то каждый из них является прямым. Для удобства прямой угол обозначается уголком. Вот так:

На картинке изображены два прямых угла ∠AOC и ∠COB. Общая сторона OC перпендикулярна прямой AB, а точка O — основание перпендикуляра.

Острый угол — это угол, который меньше прямого угла, то есть < 90°.

Развернутый угол — это открытый угол, который образован двумя лучами и равен сумме двух прямых углов. Развернутый угол равен 180°. Как выглядит развернутый угол, показано на первой картинке.

При разделении развернутым углом на плоскости любая из его частей считается внутренней областью развернутого угла.

Неразвернутый угол — это любой угол, который не является развернутым, то есть не равен 180°.

Тупой угол — это угол, который больше прямого угла, но меньше развернутого:
90° < тупой угол < 180°.

Выпуклый угол — это угол, который больше развернутого угла, но меньше полного:
180° < выпуклый угол < 360°.

Полный угол — это угол, обе стороны которого совпадают с одним лучом. Он равен сумме четырех прямых углов, то есть = 360°.

Прилежащие углы — это пара углов с общей вершиной и стороной, другие стороны при этом лежат по разные стороны от общей стороны.

На картинке мы видим два прилежащих угла ∠AOB и ∠BOC, общую вершину O и общую сторону OB.

Можно сформулировать определение по-другому: если из вершины любого угла провести луч, разделяющий угол на два, то образованные углы будут прилежащими.

Чтобы найти угол, который разделен лучом, нужно сложить полученные углы: ∠AOB = ∠AOC + ∠COB. Из этого можно выделить следующие верные разности:

• ∠AOC = ∠AOB − ∠COB,
• ∠COB = ∠AOB − ∠AOC.

Угол называется прямым, если он равен 90°, острым, если он меньше 90°, тупым, если он больше 90°, но меньше 180°. Развернутый угол равен 180°.

Онлайн-школа Skysmart приглашает детей и подростков на курсы по математике — за интересными задачами, новыми прикладными знаниями и хорошими оценками!

Сравнение углов

Для сравнения углов можно использовать самый простой способ из программы 4 класса — метод наложения. Для этого нужно совместить две вершины и сторону одного угла со стороной другого. Если стороны заданных углов совпадут, значит углы равные. Если нет, то угол, который лежит внутри другого, будет меньшим. Здесь два наглядных примера с равными и неравными углами:

При этом развернутые углы всегда являются равными.

Совмещение углов ∠𝐴𝐵𝐶 и ∠𝑀𝑁𝐾 происходит следующим образом:

• Вершину 𝐵 одного угла совмещаем с вершиной 𝑁 другого угла.
• Сторону 𝐵𝐴 одного угла накладываем на сторону 𝑁𝑀 другого угла так, чтобы стороны 𝐵𝐶 и 𝑁𝐾 располагались в одном направлении.

Если совпадут и другие стороны, то углы равны: ∠𝐴𝐵𝐶 = ∠𝑀𝑁𝐾.

Если нет, то один угол — меньше другого: ∠𝐴𝐵𝐶<∠𝑀𝑁𝐾.

Сравнить углы можно также, измерив их величины. Для этого понадобится специальный инструмент для построения и измерения углов — транспортир. Вот как он выглядит:

Как правильно измерять углы

Измерение углов похоже на измерение отрезков: нужно сравнить их с углом, принятым за единицу измерения. В геометрии обычно за единицу измерения принимают градус — угол, равный 1/180 части развернутого угла. Он обозначается так: °.

Градусная мера угла — положительное число, которое показывает, сколько раз градус и его части укладываются в данном углу.

Есть еще две возможные меры угла: минуты и секунды. Они позволяют выполнять более точные расчеты, особенно, когда величина не является целым обозначением градуса.

Минута — 1/60 часть градуса. Обозначается ´.

Секунда — 1/60 часть минуты. Обозначается ´´.

Градус состоит из 3600 секунд, то есть: 1° = 60´ = 3600´´.

Как происходит измерение угла: сначала измеряют стороны угла, а после — его внутреннюю область. Всегда нужно считать количество уложенных углов, так как они предопределяют меру измеряемого угла.

Когда луч делит угол на два или более углов, градусная мера всего угла равна сумме градусных мер этих углов.

На рисунке изображен угол АОВ, он состоит из углов АОС, СОD и DОВ. Можно записать так: ∠AOB = ∠AOC + ∠COD + ∠DOB = 45° + 30° + 60° = 135 °.

Равные углы имеют равную градусную меру.

Обозначение углов на чертеже

Чертеж помогает решать задачки по геометрии в разы быстрее. Чтобы наглядно изображать углы и прочие фигуры, придумали даже отдельное направление — геометрический чертеж.

Задачи с углами могут быть разными, и не всегда есть возможность правильно изобразить и отметить угол. Вот что важно запомнить при обозначении лучей и углов:

• Равные углы обозначают одинаковым количеством дуг.
• Неравные углы обозначают разным количеством дуг, чтобы они отличались между собой.

На чертеже отмечены три неравных угла:

Для обозначения на чертеже более трех углов используем разные виды дуг: волнистые, зубчатые.

Обозначать углы можно разными цветами. Главное, чтобы было просто и броско. При этом не обязательно отмечать все-все углы — достаточно только тех, которые нам нужны для решения задачки.

Математическая продлёнка. Про углы и тригонометрию

Время на прочтение

Продолжаю знакомить вас с наработками к занятиям математического кружка. В этой статье собраны два сюжета, связанные друг с другом одной темой: математика углов и тригонометрия. Каким образом обосновываются угловые меры? Какие из них для чего более пригодны? Почему значения тригонометрических функций от рациональных долей окружности почти все иррациональны и, наоборот, почему в рациональной тригонометрии только восемь рациональных углов и те, по большей части тривиальны? Материал рассчитан на школьников, но он приоткрывает двери в большую математику, поэтому здесь появятся элементы теории чисел, теории алгебраических полей и полиномы Чебышёва.

В чём лучше измерять углы?

— А вам зачем? Определить направление в море, или, может быть, узнать уклон дороги? Хотите найти расстояние на сфере, либо угловое расстояние между звёздами? Или вам для геометрических нужд, треугольничек построить или звезду пятиконечную? Может, вас тригонометрия интересует, синус вычислить, координату какую отыскать, или фигуру Лиссажу нарисовать даме к 8 марта? Или вы больше по физике: вращения, колебания, гармонические функции, спектры, дифференциальные уравнения. А топологию окружности или группу поворотов изучить не желаете?

Для разных задач годятся разные меры, и какую попало выбирать не стоит. Во-первых, надо, что бы углы выражались числами (желательно, удобными — целыми или рациональными) и были пригодны для бытового использования. Во-вторых, они должны быть удобны для геометрических построений, имели внятные значения для часто встречающихся геометрических фигур. И, в-третьих, помогали нам дружить с тригонометрией и алгеброй — не одними же только циркулем и линейкой вычислять!

Обороты

Для длины абсолютной единицы не существует, выбирай, хоть аршин, хоть астрономическую единицу, хоть планковскую. А вот с оборотами не так. Полный оборот — сам себе единица. Вещь в себе, так сказать. Раз такое дело, самым естественным решением будет измерять углы оборотами и его долями. Нормальный способ, именно его мы используем для измерения частоты вращения, когда пишем об/минуту или когда просим кого нибудь повернуться на четверть-оборота для фотографии.

Типичный тахометр измеряющий обороты

Однако, для геометрических нужд имеет смысл оборот представить, не как единицу, а как двойку, точнее, как два развернутых угла. Преимущества этого способа могут быть заметны при измерении углов правильных многоугольников, все они будут выражаться понятными говорящими дробями. Сумма углов в треугольнике тогда будет равна 1, в правильном многоугольнике с

Углы в квадрате: 1/4, в равностороннем треугольнике — 1/3, в пятиугольной звезде — 1/10, в пятиугольнике — 3/5. Удобно.

Грады и градусы

Но правильные дроби нравятся не всем. Так вышло, что законодателями мод в измерении углов были моряки и астрономы, и именно им принадлежат основные практичные угловые меры.

Мореходы и землемеры, в своё время, решили, что разделить угол между Севером и Востоком на 100 частей будет в самый раз! Так получились грады. Прямой угол — 100 град, развёрнутый — 200 град, полный оборот — 400. Кстати, при таком способе 1 град это 1% от прямого угла, можно было бы записывать углы в процентах.

Компас с делениями в градах

Есть у град один конструктивный недостаток: у числа 400 сравнительно немного делителей: 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20, 25, 40, 50, 80, 100, 200 и среди них нет чисел, кратных трём. Так что у равностороннего треугольника получится угол в 133⅓ града, которые в десятичной дроби представляются лишь периодичной дробью. Давайте поищем что-нибудь получше. Взглянем на то, как растёт количество делителей у чисел в первой тысяче:

Для детализации небольших значений горизонтальная шкала логарифмическая.

Как видите, есть такие числа, которые имеют наибольшее число делителей, среди всех предыдущих. Среди них значится знакомое число 360. Так что, если вам хочется рисовать правильные многоугольники, у которых 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24, 30, 36, 40, 45, 60, 72, 90, 120 и 180 вершин, имеющие целые значения углов, или заниматься астрономией, в которой угловые размеры Солнца и Луны составляют половину деления, то 360° — ваш выбор!

Ну, а если вам до зарезу нужны семиугольники, то вместо 360 делений выбирайте, например, 420. Делителей у этого числа столько же, что и у трёхсот шестидесяти, но среди них есть кратные 7. Если полный оборот принять за 420 единиц, то прямой угол будет равен 105, углы в правильном треугольнике — 70, в пятиугольнике — 127, в шестиугольнике — 140, семиугольнике — 150. Красота!

Часы

А ещё мне по душе штурманский способ измерять угол в часах и минутах. Разделив оборот на 24 часа, а час — на 60 минут, мы получим привычное бытовое деление суточного периода. К тому же, число 24 относится к числам с наибольшим числом делителей в своей весовой категории. Более того, 24×60 = 1440 имеет целых 34 делителя!

Так что углы во всех привычных правильных многоугольниках будут иметь вполне аккуратное выражение: треугольник — 4ʰ, квадрат — 6ʰ, пятиугольная звезда — 2ʰ24ᵐ, а пятиугольник — 7ʰ12ᵐ. Это менее привычно, чем десятичная запись, но легко ложится на визуальный образ циферблата. Вместо 24 делений можно использовать и 12 часов, но тогда половина прямого угла будет выражаться как 1ʰ 30ᵐ. Зато транспортир превратится в хорошо знакомый и привычный для нас часовой циферблат.

Но особенно мне нравится, как выглядит таблица тригонометрических функций, в которой аргумент выражен в часах:

Кроме привычных значений, в этой таблице можно разместить две дополнительные величины в 1 час и в 5 часов, соответствующие 15° и 75°. Значения синусов и косинусов для них громоздковаты, конечно, но во второй части статьи мы с вами убедимся в том, что это хорошие величины: они имеют алгебраическую степень равную четырём, но при этом выражаются в виде внятного сочетания корней. Таким образом, все целые часы имеют относительно неплохие значения тригонометрических функций.

Румбы

Углы это не только части оборота, это ещё и способ обозначать направления. В отличие от оборотов, направления образуют модулярную арифметику, то есть, не бывает направления соответствующего 25 часам. Так что 25ʰ = 1ʰ и 20ʰ + 6ʰ = 2ʰ. Ещё более явно эту особенность алгебры направлений демонстрируют румбы и азимуты.

К любому углу можно подобраться с помощью дихотомии или методом деления пополам. Сначала выясняем в какой полуплоскости лежит нужное нам направление, потом — в какой четверти, потом — в какой из половинок четвертей и так далее. Так с незапамятных времён делили горизонт моряки, измеряя углы в румбах, разделив окружность на 2⁵ = 32 части, и дав им звучные имена, типа вест-зюйд-вест, норд-ост-тень-ост или даже стрик встока к обеднику, которые очень прикольно выкрикивать хриплым голосом, стоя на мостике.

Наконец, углы можно измерять даже в пальцах, как это делают бывалые морские и речные волки, идя “на два пальца левее Алголя”.

Изображения с сайта: http://shturman-tof.ru/Bibl/Bibl_1/Bibl_1_43vremy.html

используя номенклатуру румбов, угол в равностороннем треугольнике придётся выражать бесконечным символом. И о тригонометрии на языке румбов говорить будет нелегко, поскольку косинусы углов, являющихся степенями двойки, кроме четверти и восьмой части оборота, вычисляются не особо изящно:

Ну, а для других румбов тригонометрические дела обстоят и того хуже!

Радианы

Все описанные выше способы деления окружности, более или менее, подходят для базовой тригонометрии и бытового использования. Но если вы решите вычислить производную от какого-нибудь синуса, то она не будет равна косинусу, покуда аргумент будет измеряться в оборотах, градах, часах или румбах. Однако, при равномерном вращении, скорости изменения прямоугольных координат точки выражаются именно так:

Если в качестве угловой меры взять расстояние, на которое прокатится колесо единичного радиуса, при известном повороте, то угол поворота будет измеряться в радианах, то есть, в отношениях длины дуги, стягиваемой углом, к её радиусу. При этом появится иррациональное число

, но этот значок не хуже значка ° или, например, ₽. Если вместо “пи” произносить “развёрнутый угол”, то смысл угла, выраженного в радианах станет яснее. Например, угол в правильном треугольнике равен π/3, то есть трети развёрнутого угла, а у квадрата — π/2, сиречь половина развёрнутого угла. А формула Эйлера

гласит, что число −1, если рассматривать его, как комплексное

Иллюстрация к формуле Эйлера

Несомненные выгоды от использования радиан начинаются при занятиях серьёзной тригонометрией и матанализом. В радианах синусы и косинусы решают дифференциальное уравнение:

их можно раскладывать в ряды, и использовать методы приближённых вычислений, типа

для малых углов. С аргументом, выраженным в радианах, тригонометрия позволяет решать задачи на движение, строить теорию функций комплексного переменного и методы разложения в ряды Фурье для решения задач матфизики. Начиная с первого курса физфака или мехмата, про градусы можно забыть.

Уклоны

Наконец, можно отказаться от равномерных делений и сразу измерять углы в тангенсах. Именно этот способ используется на дорожных знаках, где уклон дороги, то есть тангенс угла, образуемого дорогой к горизонту, выражен в процентах. Этот подход полезен в геодезии и в дорожном строительстве. И даже позволяет кое-где упростить тригонометрию.

Например, если величина угла выражается через его тангенс рациональной дробью, то нетрудно точно посчитать его синус и косинус, не используя калькулятор:

Но есть и существенные проблемы. Уклон в равностороннем треугольнике будет равен 1/√3 ≈57.73%, а вот угол квадрата, простите, будет неопределён, ибо тангенс для прямого угла терпит разрыв. Но самое главное: углы, измеряемые таким образом, перестают быть аддитивными. Это значит, что сумма двух уклонов или, скажем, удвоение уклона будут вычисляться весьма нетривиально, особенно, с учётом разрывов.

От геометрии к алгебре

Эти ограничения можно обойти, если использовать не дробь для выражения тангенса, а пару чисел: (числитель, знаменатель). Тогда прямой угол примет безопасное “значение” (1,0), а его половина может быть выражена, как (1,1) или (√2,√2) — это одно и тоже. Последовательно развивая такое представление, можно прийти к теоретикогрупповому представлению об угле, как о повороте, то есть, действии на множестве точек пространства или элементов поля.

Решение нехитрой задачки на определение угла между заданными отрезками.

Если разглядеть в упомянутых выше парах чисел комплексные числа, то алгебру углов можно определить, как мультипликативную группу комплексных чисел, факторизованную по норме (модулю). Тогда аддитивная абелева группа поворотов становится изоморфна мультипликативной группе комплексных чисел. Сложению углов (композиции поворотов) соответствует умножение соответствующих комплексных чисел, а вычитанию — умножение на сопряжённое число.

Ограничившись только такими парами чисел

, получим полноценную алгебру, в которой повороты можно складывать таким образом:

Наконец, окончательно абстрагировавшись от угловых мер, градусов, румбов и даже радиан, можно рассматривать углы, как топологическое пространство

и унитарную группу первого порядка

изоморфную группе вращений двумерного вещественного пространства SO(2). Впрочем, этот подход, необходимый для определения базовых понятий в геометрии, для решения прикладных геометрических и инженерных задач, всё-таки, не очень удобен. Даже тот фундаментальный для евклидовой геометрии факт, что сумма углов в треугольнике равна развёрнутому углу, будет непросто выразить и доказать, оперируя комплексными числами или рациональными точками на окружности. Но в следующей части статьи именно такой взгляд на углы станет нашим основным инструментом.

Эй, тригонометрия, ты почему такая иррациональная?!

Вернёмся к таблице тригонометрических функций, заучиваемой в школе. Почему в школьной таблице синусов и косинусов так мало чисел, которые легко запомнить? Почему тангенсы, синусы и косинусы от “хороших” углов имеют “нехорошие” значения?

Взгляните ещё раз на привычную таблицу тригонометрических функций:

Вся эта красота врывается в жизнь восьмиклассника и способна здорово отравить её неинтуитивными иррациональными значениями, содержащими корни не то из 2 не то из 3, которые как-то надо запоминать. Рациональные значения представлены в этой таблице только четырьмя числами: 0,1/2 и ±1, все же остальные содержат квадратные корни. Наконец, в таблице кроме нулевого и прямого, нет таких углов, для которых все тригонометрические функции принимали бы рациональные значения одновременно.

Из-за этой сплошной иррациональности полностью решить прямоугольный треугольник, то есть узнать все точные значения углов, сторон и их отношений, возможно лишь в двух особых случаях: в треугольнике с углами (45°, 45°, 90°) и с углами (30°, 60°, 90°). Этим треугольникам в школьной программе можно смело ставить памятник!

Вот они, два классических школьных треугольника, под которые даже выпускаются специальные линейки.

Что же делает перечисленные углы “хорошими”, и почему именно их мы заучиваем в школе? Они выражаются целыми числами в угловой мере, то есть, являются делителями 360°, или полного оборота. Может быть, мы не те углы выбрали для таблицы? Давайте взглянем на некоторые другие рациональные доли полного оборота:

Жуть! Ещё хуже стало. Получается, что в школьную таблицу попали те углы, для которых тригонометрия ещё терпимо иррациональна. У других шансов получить звание “хороших” очень невелики.

В то же самое время, все тригонометрические функции, это ведь просто отношения длин сторон в прямоугольном треугольнике. В обыкновенной тетрадке в клеточку мы можем нарисовать сколько угодно прямоугольных треугольников с целочисленными сторонами, для которых все тригонометрические функции будут принимать внятные рациональные значения:

Пара целочисленных треугольников с рациональной тригонометрией из огромного их множества.

Почему же эти значения не оказываются в таблицах тригонометрических функций? Дело в том, что для этих чудесных треугольников невозможно точно вычислить углы: они не будут рациональными долями 360° или полного оборота.

Получается, что либо углы рациональны, но тогда тригонометрия превращается в нагромождение корней, либо тригонометрия рациональна, а углы — нет. Одновременно всё становится рациональным только в самых примитивных случаях для 0°, 90°, 180° и 270°. Это значит, что углы и тригонометрические функции почти всегда несоизмеримы друг с другом. И дело тут не в выборе конкретной угловой меры, а в более фундаментальном свойстве евклидова пространства, в котором мы работаем.

А почему не вместе?

Все прямоугольные треугольники с рациональной тригонометрией имеют стороны, образующие, так называемые, пифагоровы тройки: целые числа

, такие что

. И все они могут быть построены на регулярной прямоугольной решётке. Но увы, кажется, на этой же решётке невозможно построить никакой угол, выражающийся через рациональную долю полного оборота, кроме тех, что кратны 45°.

Для того, чтобы убедиться в этом, нужно представить точки на регулярной квадратной решётке, как комплексные числа с целыми вещественной и мнимой частями. Они называются гауссовыми числами. Они образуют алгебраическое кольцо и для этих чисел действует основная теорема арифметики и любое гауссово число раскладывается на простые множители не единственным, но вполне определённым способом. Эти разложения имеют некоторые особенности, существенно отличающие их от разложения вещественных целых чисел и из этих особенностей можно вывести следующее утверждение:

Если гауссово число при возведении в степень становится вещественным, то либо , либо , либо .

Схема доказательстваПусть и . Обозначим как один из простых делителей , тогда и сопряжённое ему число , должно быть делителем числа , поскольку , по нашему предположению, вещественное. Отсюда следует, что делит , а значит, и . Таким образом, мы можем заключить, что если это простой делитель гауссова числа , то вещественное целое тоже является делителем .Поскольку число раскладывается на простые множители, каждый из которых должен быть ассоциирован со своим сопряжённым. Для числа ассоциированными являются три числа:. Сопряжённое число может быть ассоциированным только если , или , или . Первые два случая соответствуют вещественным множителям. Из третьего случая следует, что для любого простого делителя , а это значит, что должно быть ассоциированным числу для какого-то целого числа .

Из этого свойства вытекает следующее:

Углы, которые опираются на узлы регулярной квадратной решётки либо кратны 45°, либо несоизмеримы с 360°.

ДоказательствоДоказать это утверждение можно, если вспомнить, что любое комплексное число можно представить в форме . В такой форме удобно перемножать комплексные числа и возводить в степень. Так, в частности, .Рассмотрим гауссово число , образующее с горизонталью (вещественной осью) угол , где  — натуральное число, а — целое. Тогда число  будет вещественным. Это для гауссовых чисел означает, что либо и , либо и , либо  и . Во всех же остальных случаях многократное умножение на , эквивалентное повороту вектора на угол и одновременному увеличению его длины в раз, никогда не приведёт к вещественному значению, а значит, этот угол несоизмерим с 360°.

Осталось показать, что это свойство относится не только к углам, отсчитываемым от горизонтальной оси, но справедливо для любого угла, опирающегося на узлы решётки. Это легко продемонстрировать на рисунке, который показывает, что переходя к регулярным подрешёткам, легко можно свести любой угол к доказанному случаю.

Угол между векторами (3, −1) и (3, 4) при переходе на подрешётку, генерируемую первым вектором, является углом между вектором (1, 3) и горизонтальной осью на этой подрешётке

Таким образом, школьные задачи, подразумевающие внятный ответ, в которых нужно найти углы, опирающиеся на узлы квадратной сетки, скорее всего, имеют решение 45°, 90° или 135°. Либо задача формулируется на поиск тангенса угла.

В этой популярной задаче нужно найти точное значение угла, а значит, это может быть только 45°. Её можно решить разными способами, с привлечением геометрии, векторов, вычисляя арктангенсы, но если вас спрашивают про угол, то единственный возможный точный ответ, в принципе, вы уже знаете.

В сети легко найти множество рекомендаций по построению приближений к углам, кратным 10° или даже 5°. Однако, очень мало где говорится, то это только приближения, причём, удобно работающие только для построения углов, отсчитываемых от горизонтали. Впрочем, для быстрых построений они, действительно, могут быть полезны.