Geometría · Transformación rígida

Transformación rígida

Una transformación rígida mueve el plano sin cambiar ninguna distancia: una traslación, una rotación, una reflexión o una reflexión deslizante. Reflejar en dos espejos produce una rotación, o una traslación si son paralelos.

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Las transformaciones rígidas en esta visualización

Una transformación rígida del plano (una isometría) conserva todas las distancias: ∣f(P)f(Q)∣=∣PQ∣|f(P)f(Q)| = |PQ| para todos los puntos P y Q. Hay exactamente cuatro tipos: traslaciones, rotaciones, reflexiones y reflexiones deslizantes. Los dos primeros conservan la orientación de una figura (determinante +1); los dos últimos la invierten (determinante −1), por eso la imagen especular de la huella es un pie izquierdo, dibujado con rayado. Algunos libros reservan el nombre movimiento rígido para los dos primeros; aquí significa cualquier isometría.

La página las construye todas con espejos. Refleja en el espejo 1 y luego en el 2: si los espejos se cortan en C y el ángulo orientado del 1 al 2 es θ2−θ1\theta_2 - \theta_1, el resultado es una rotación alrededor de C por el doble de ese ángulo. Si son paralelos, separados por una distancia d, es una traslación de 2d perpendicular a ellos, del espejo 1 hacia el 2; si coinciden, cada punto vuelve a su lugar.

Dos reflexiones
secantes: giro de 2(θ2−θ1) alrededor de C,paralelos: traslacioˊn de 2d\text{secantes: giro de } 2(\theta_2 - \theta_1) \text{ alrededor de } C, \qquad \text{paralelos: traslación de } 2d

Por qué el doble: un punto P a un ángulo φ del espejo 1, visto desde C, queda en −φ tras la primera reflexión; el espejo 2 está a θ del 1, así que la segunda reflexión lo sitúa en 2θ + φ. Cada punto gira 2θ, sea cual sea φ, y ninguna reflexión cambia su distancia a C. Punto P dibuja estos dos pares de ángulos iguales. Solo importa el ángulo, así que ambos espejos pueden girar juntos alrededor de C sin cambiar el resultado; intercambiarlos gira en el sentido contrario.

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En qué fijarse

  • Gira el espejo 2 alrededor de su punto hacia la dirección del espejo 1: la intersección C se aleja por el espejo 1 y el giro disminuye; cuando son exactamente paralelos, la rotación se convierte en traslación. Casi paralelos sigue siendo una rotación, alrededor de un centro lejano; una flecha en el borde lo señala y da sus coordenadas. La página conserva todos los ángulos exactamente, hasta una milésima de grado, y decide paralelismo, coincidencia, reflexión o deslizamiento a partir de esos valores exactos, nunca de uno redondeado.
  • Un número impar de reflexiones invierte la figura. Tres espejos producen una reflexión deslizante —una reflexión seguida de una traslación a lo largo de su propio eje, el paso de una huella a la siguiente— o una reflexión simple si los tres espejos se cortan en un punto o son todos paralelos.
  • Objetivo recorre el argumento al revés: cualquier transformación rígida necesita como máximo tres espejos. El espejo 1 es la mediatriz que lleva A a A′; el 2 lleva la imagen de B a B′ (pasa por A′); y el 3, si aún hace falta, lleva la imagen de C a C′ (pasa por A′ y B′). Se omite un paso si su punto ya está en su lugar: una rotación o traslación requiere dos espejos; una reflexión, uno; una reflexión deslizante, tres.
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Controles

  • Arrastra el punto de un espejo o el propio espejo para moverlo y su aro para girarlo; al girar, se ajusta cada 15° respecto a los otros espejos, incluido el paralelismo. El dial gira el espejo 2, con la dirección del espejo 1 marcada; las direcciones pueden escribirse en grados (40, 22.5, π/4). En Objetivo, arrastra la huella discontinua, gírala con su aro y voltéala con Voltear o un doble clic.
  • Modo presentación abre una vista a pantalla completa para proyectores: ← → giran 15° y H oculta el resultado de los espejos, mientras estos y las imágenes permanecen.
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Conceptos relacionados

Las rotaciones y reflexiones como matrices están en la página de transformación lineal; mover y reflejar gráficas de funciones, en la de transformaciones de funciones; multiplicar por un complejo de módulo 1 es una rotación en la del plano complejo.

Para saber más: Wikipedia: Rigid transformation (Inglés); Wikipedia: Reflection (mathematics) (Inglés); Wikipedia: Glide reflection (Inglés).