Układ współrzędnych walcowych: Różnice pomiędzy wersjami
[wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
Usunięta treść Dodana treść
m drobne redakcyjne, drobne techniczne |
Poprawa artykułu na podstawie źródła |
||
Linia 1:
[[Plik:Cylindrical coordinates.png|thumb|300px|Walcowy układ współrzędnych]]
'''Walcowy układ współrzędnych''' ('''cylindryczny układ współrzędnych''') – [[układ współrzędnych]] w trójwymiarowej [[przestrzeń euklidesowa|przestrzeni euklidesowej]].
Układ cylindryczny tworzony jest przez trzy [[Wersor|wersory]] <math>\hat{n}_\rho</math>, <math>\hat{n}_\phi</math>, <math>\hat{n}_z</math>, które zmieniają swoją orientację w przestrzeni w zależności od ruchu punktu <math>P\,</math><ref name=":1">{{Cytuj |autor = Lucjan Jacak |rozdział = Mechanika klasyczna. Układy współrzędnych - kinematyka. |tytuł = Krótki wykład z fizyki ogólnej |data = 1994 |isbn = 83-7085-222-X |miejsce = Wrocław |wydawca = Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej |s = 8}}</ref>. Każdy punkt <math>P</math> przestrzeni zapisuje się w postaci trzech tzw. współrzędnych cylindrycznych <math>(\rho,\phi,z)\,</math>, gdzie poszczególne składowe wyrażają się następująco<ref name=":2">{{Cytuj |autor = Lucjan Jacak |rozdział = Mechanika klasyczna. Układy współrzędnych - kinematyka. |tytuł = Krótki wykład z fizyki ogólnej |data = 1994 |isbn = 83-7085-222-X |miejsce = Wrocław |wydawca = Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej |s = 9}}</ref>:
: <math>\rho\,</math> — promień cylindra przeprowadzonego przez punkt <math>P\,</math><ref name=":2" />,
:<math>\phi\,</math> — kąt między osią <math>x</math> układu nieruchomego a płaszczyzną, w której znajduje się wektor wodzący <math>r(t)</math>i kierunek <math>\hat{n}_z</math><ref name=":2" />,
:<math>z\,</math> — wysokość (ta sama współrzędna jak dla układu nieruchomego)<ref name=":2" />.
Można wyprowadzić wzór: <math>r(t) = \rho
Określenie prędkości następuje poprzez obliczenie pochodnej <math>r</math>: <math>v(t) = {dr \over dt} = \dot \rho \hat{n}_\rho + \rho \dot{\hat{n}}_\rho + \dot{z} \dot{\hat{n}}_z</math><ref name=":2" /> (gdzie <math>\dot{}</math>oznacza pierwszą [[Pochodna funkcji|pochodną]] względem czasu<ref name=":1" />). Wersor <math>{\hat{{n}}_z}</math>nie zmienia swojej orientacji i dlatego <math>\dot{\hat{{n}}_z} = 0</math>, co pozwala na pominięcie go w powyższym równaniu<ref name=":2" />. Wersor <math>\dot{\hat{n}}_\rho</math>należy wyrazić poprzez niezmienne w czasie wersory <math>\hat{n}_x</math>i <math>\hat{n}_y</math> układu nieruchomego<ref name=":2" />.
<math>\hat{n}_\rho = \hat{n}_x \cos \phi + \hat{n}_y \sin \phi </math><ref name=":2" />
<math>\hat{n}_\phi = -\hat{n}_x \sin \phi + \hat{n}_y \cos \phi </math><ref name=":2" />.
Zatem:
<math>\dot{\hat{n}_\phi} = -\hat{n}_x \cos \phi \dot{\phi} - \hat{n}_y \sin \phi \dot{\phi} = - \dot{\phi} \hat{n}_\rho </math><ref name=":2" />.
Stąd prędkość:
<math>v(t) = \dot{\rho}\hat{n}_\rho + \rho \dot{\phi}\hat{n}_\phi + \dot{z}\hat{n}_z </math><ref name=":2" />,
a jej długość:
<math>\left\vert v \right\vert = \sqrt{(\dot{\phi})^2 + (\rho \dot{\phi})^2 + (\dot{z})^2} </math><ref name=":2" />.
Przyspieszenie:
<math>a(t) = {dv \over dt} = \ddot{\rho}\hat{n}_\rho + \dot{\rho}\dot{\phi}\hat{n}_\phi + \rho \ddot{\phi}
\hat{n}_\phi + \rho \dot{\phi}\dot{\hat{n}}_\phi+\ddot{z}\hat{n}_z = \hat{n}_\rho (\ddot{\rho}-\rho (\dot{\phi})^2)+ \hat{n}_\phi (2\dot{\rho}\dot{\phi}+\rho \ddot{\phi}) +
\hat{n}_z \ddot{z} </math> <ref name=":2" />
<math>\left\vert a \right\vert = \sqrt{(\ddot{\rho} - \rho (\dot{\phi})^2)^2 + (2 \dot{\rho} \dot{\phi} + \rho
\ddot{\phi})^2 + (\ddot{z})^2} </math><ref name=":0" />.
== Przykład zastosowania ==
Za pomocą współrzędnych cylindrycznych można bardzo łatwo opisać na przykład '''jednostajny ruch po okręgu<ref name=":0" />''':
<math>\rho = R = const </math><ref name=":0" />,
<math>\phi = \omega t, \omega = const </math><ref name=":0" />,
<math>z = 0 </math><ref name=":0" />
oraz:
<math>r(t) = R \hat{n}_\rho </math><ref name=":0" />,
<math>v(t) = \omega R \hat{n}_\phi </math><ref name=":0" />,
<math>a(t) = -\omega^2 R \hat{n}_\rho </math><ref name=":0" />.
== Zobacz też ==
* [[układ współrzędnych sferycznych]]
== Przypisy ==
{{Przypisy}}
[[Kategoria:Układy współrzędnych|Walcowy]]
|