나선

나선(螺旋, )은 3차원 공간의 곡선과 같이, 매끄러운 곡선의 일종이다. 이는 물체의 겉모양이 빙빙 비틀린 형태를 지닌다. 나선의 영어 낱말 helix(헬릭스)는 "꺾인, 굽은"을 뜻하는 그리스어 낱말 ἕλιξ에서 왔다.

수학 
3차원 공간 곡선으로서의 나선:
 

원통좌표계 (r, θ, h):
 

원 나선(반지름 a, 2πb):

호의 길이, 곡률과 비틀림(Arc length, curvature and torsion) 
반지름이 a 인 원기둥에 기울기 b/a (or pitch 2πb) 인 나선은 아래와 같이 벡터 함수로 나타낼 수 있다.

 

나선 위에 있는 점의 위치벡터는 아래와 같다.

이를 미분하여 속도와 가속도를 구하면

이다. 속력과 가속도 크기를 구하면 아래와 같다.

호의 길이를 구하는 변수를 구하면

이다. 이제 변수  로 위치벡터를 다시 매개변수화하자.

변수  에 대하여 미분하여 단위 접선벡터를 구하고 이를 다시 미분하여 곡률 벡터를 구하면

이다. 따라서 나선의 곡률은  이다.

단위 법선벡터를 구하면

이므로 이중법선벡터는 아래와 같다.

이중법선벡터를 미분하여 비틀림(토션)을 구할 수 있다.

비틀림은 이다.

이처럼 나선은 곡률과 비틀림이 상수인 곡선이다.

참고 공간 곡선 운동에 관하여

각주 

도형
곡선