Longitud de Arco
La longitud de arco es la distancia a lo largo de una porción curva de un círculo, proporcional al ángulo central y al radio.
Formula
s = r\theta \text{ (radians) or } s = \frac{\theta}{360} \cdot 2\pi r \text{ (degrees)}
Definition
Un arco es una porción curva de un círculo, como una rebanada del borde, y la longitud de arco es cuánto mide esa porción curva: para un círculo de radio $r$ y un ángulo central de $\theta$ grados, la longitud de arco es $s = (\theta/360) \cdot 2\pi r$, que en radianes se simplifica a $s = r\theta$. La longitud de arco siempre es proporcional al ángulo central, por lo que el arco de un semicírculo siempre es la mitad de la circunferencia y el arco de un cuarto de círculo siempre es un cuarto. De manera más general, para una curva suave parametrizada por $r(t) = (x(t), y(t))$ en $[a, b]$, la longitud de arco es $$L = \int_a^b |r'(t)| \, dt = \int_a^b \sqrt{x'(t)^2 + y'(t)^2} \, dt,$$ que para un círculo de radio $R$ parametrizado como $(R\cos t, R\sin t)$ en $[0, \theta]$ da $L = R\theta$.
Example
Si un círculo tiene circunferencia $60$ cm y tomas un cuarto de ella ($90$ de $360$ grados), la longitud de arco es $(90/360) \times 60 = 15$ cm. Un círculo de radio $9$ cm con un ángulo central de $120$ grados da $s = (120/360) \cdot 2\pi \cdot 9 = (1/3)(18\pi) = 6\pi = 18.85$ cm; en radianes, $120$ grados $= 2\pi/3$, por lo que $s = 9 \cdot (2\pi/3) = 6\pi$, coincidiendo exactamente. La longitud de arco de $y = x^{3/2}$ desde $x=0$ hasta $x=4$ es $L = \int_0^4 \sqrt{1 + (3/2\sqrt{x})^2} \, dx = \int \sqrt{1 + 9x/4} \, dx$, que se evalúa en $(8/27)(10\sqrt{10} - 1) \approx 9.07$.
Key Insight
La fórmula en radianes $s = r\theta$ es más simple y natural que la fórmula en grados, ya que se convierte en un producto directo sin factores de conversión, una de las razones por las que se prefieren los radianes en matemáticas superiores. La integral de longitud de arco no siempre es resoluble en forma cerrada; para las elipses conduce a integrales elípticas, que no pueden expresarse con funciones elementales, lo que motivó ramas enteras nuevas del análisis en los siglos XVIII y XIX.