Методы решения физико-математических задач

Оси естественного трехгранника Френе

Оси естественного трехгранника - касательная, нормаль и бинормаль
Определение естественного трехгранника Френе. Проекции скорости и ускорения точки на его оси. Пример определения ортов естественного трехгранника.

Введение

На странице “Кинематика материальной точки” мы установили, что вектор скорости движения точки направлен по касательной к траектории. Вектор ускорения лежит в соприкасающейся плоскости и его можно разложить на две составляющие. Одна составляющая направлена по касательной к траектории. Вторая составляющая направлена перпендикулярно касательной, в сторону мгновенного центра кривизны траектории.

В некоторых случаях удобно ввести систему координат, связанную с текущим положением точки. Рассмотрим точку M в определенный момент времени. Считаем, что нам известна траектория ее движения. Проведем через точку M три прямых – касательную к траектории, главную нормаль и бинормаль. Главная нормаль перпендикулярна касательной и направлена в сторону мгновенного центра кривизны траектории. Бинормаль перпендикулярна касательной и главной нормали. Выберем систему координат с началом в точке M и осями, направленными вдоль этих прямых. Такую систему координат называют естественным трехгранником Френе. Оси этой системы координат называются осями естественного трехгранника.

Орты естественного трехгранника

Орты естественного трехгранника

Пусть τ ,  n и b – единичные векторы, направленные вдоль касательной, главной нормали и бинормали к траектории, соответственно. Эти векторы являются ортами выбранной нами системы координат или ортами естественного трехгранника. Рассмотрим вопрос о выборе направления этих векторов.

Единичный вектор τ направлен вдоль касательной к траектории. Поэтому можно выбрать два взаимно противоположных направления. Самый удобный способ – это направить τ вдоль вектора скорости v точки. Тогда
τ = v | v |   . 
Однако, это не всегда можно сделать. Встречаются случаи, когда траектория движения заранее известна, а скорость – нет. Например, при движении точки по желобу внутри твердого тела под действием внешних сил. В таких случаях направление вектора τ выбирают заранее. Например, в сторону возрастания дуговой координаты.

Направление единичного вектора n главной нормали определено однозначно. Он направлен перпендикулярно τ ,  в сторону мгновенного центра кривизны траектории.

Единичный вектор бинормали b направлен перпендикулярно векторам τ и n так, чтобы три вектора τ ,  n и b образовали правостороннюю систему координат:
b = [τ × n ] . 

Скорость и ускорение точки в трехграннике Френе

Применим формулы, которые мы вывели на странице “Кинематика материальной точки”.

v = vττ ; 
a = aτ  τ + an  n . 

То есть, в естественном трехграннике с ортами (τ,  n,  b ) ,  скорость имеет одну компоненту:
v = (vτ ,  0,  0 ) . 
Проекции вектора скорости v на оси n и b трехгранника равны нулю. Проекцию скорости v на направление единичного вектора касательной к траектории τ  :  vτ  = (v ⋅ τ ) ,  иногда называют алгебраической величиной скорости. Она отличается от модуля скорости  | v |  только тем, что может иметь отрицательное значение: vτ  = ±  | v |  .  При vτ  > 0 ,  скорость направлена вдоль вектора τ .  При vτ  < 0 – в противоположную сторону.

Здесь и далее модуль скорости мы обозначаем либо символом с прямыми скобками  | v |  ,   | v |  ,  либо просто символом без стрелки v  : 
 | v |  ≡  | v |  ≡ v . 

Ускорение имеет две компоненты:
a = (aτ ,  an ,  0 ) , 
Через них выражается касательное aτ и нормальное an ускорения:
aτ  = aτ  τ;  an  = an  n . 
Они являются проекциями вектора ускорения a на оси τ и n естественного трехгранника:
aτ  = (a ⋅ τ );  an  = (a ⋅ n ) . 
Их можно выразить через компоненту скорости vτ и радиус кривизны траектории ρ  : 
aτ  = dvτdt ;  an  = v 2ρ  . 
Компонента aτ может быть как положительной (вектор aτ сонаправлен с τ), так и отрицательной (вектор aτ противоположен τ): aτ  = ±  | aτ  |  .  Компонента an всегда положительна либо равна нулю: an  =  | an  |  . 

Проекция вектора ускорения a на ось b равна нулю:
(a ⋅ b ) = 0 . 

Как определить оси естественного трехгранника

Далее мы считаем, что у нас есть неподвижная система координат Oxyz .  Материальная точка совершает движение. Требуется найти оси естественного трехгранника. То есть определить проекции ортов τ ,  n и b в системе координат Oxyz . 

Для координатного и векторного способов задания движения

Для координатного и векторного способов задания движения точки, формулы для определения ортов (τ,  n,  b ) представлены на странице “Кинематика материальной точки”. На странице “Координатный способ задания движения точки” разобран пример вычисления компонентов векторов (τ,  n,  b ) . 

То есть, чтобы определить орты естественного трехгранника, нужно найти компоненты векторов скорости v и нормального ускорения an  ,  применяя следующие формулы:
v = .r ; 
a = .v ; 
aτ  = (a ⋅ τ ) τ ; 
an  = a – aτ  . 

Далее определяем орты естественного трехгранника:
τ = vv  ; 
n = anan  ; 
b = [τ × n ] . 

Для естественного способа задания движения

При естественном способе задания движения точки нам известна траектория ее движения. Поэтому перед нами стоит задача – по известной траектории, определить орты естественного трехгранника. Если траектория представляет собой простую геометрическую фигуру, например окружность, то определить векторы τ ,  n и b можно геометрически.

В общем, и более сложном случае, нужно представить уравнение траектории в параметрическом виде. Для этого вводим параметр t .  Это можно сделать многими способами. Поэтому желательно выбрать наиболее удобное представление.

Пусть, например, траекторией движения является эллипс, лежащий в плоскости x,  y  : 
{
x 2a 2 + y 2b 2 = 1
z = 0
  . 

Наиболее удобное параметрическое представление можно получить, если воспользоваться тригонометрической формулой:
cos 2t + sin 2t = 1 . 
Тогда уравнение траектории имеет вид:
{
x = a cos t
y = b sin t
z = 0

Здесь t – параметр.
Это не единственный способ получить параметрическое представление. Можно, например, разрешить уравнение эллипса относительно y  : 
y = ± b   1 – x 2a 2    . 
Применяя эту формулу, получим другое параметрическое представление:
{
x = t
y = ± b   1 – t 2a 2  
z = 0

Далее считаем, что эти параметрические уравнения описывают движение материальной точки, в котором параметр t играет роль времени. Тогда, для определения осей трехгранника, можно применить формулы, применяемые для векторного и координатного способов задания движения. Вычисленные, таким образом, скорость и ускорение будут зависеть от выбранного параметрического представления. Но геометрические характеристики траектории, такие как орты τ ,  n ,  b и радиус кривизны траектории не зависят от выбранного параметрического представления.

Итак, чтобы найти орты естественного трехгранника по заданной траектории движения, нужно представить уравнение траектории в параметрическом виде и применить формулы, применяемые при координатном способе задания движения.

Пример определения ортов естественного трехгранника

Найти единичные векторы в направлении осей естественного трехгранника, а также радиус кривизны траектории, для цилиндрической винтовой линии с радиусом основания R и шагом h . 

Решение

Трехгранник винтовой линии
Трехгранник винтовой линии
Выберем систему координат Oxyz .  Ось z направим вдоль оси винтовой линии. Тогда уравнение линии можно представить в следующем параметрическом виде:
(1)  
{
x = R cos t
y = R sin t
z = Ht

Здесь t – параметр; H = h2π  .  Если взять проекцию точки M линии, на плоскость Oxy ,  то t – это угол между осью Ox и проекцией OM .  При увеличении t на 2π ,  координаты x и y точки возвращаются в первоначальной положение, а координата z увеличивается на h . 

Считаем, что уравнения (1) описывают движение точки по винтовой линии. Определяем кинематические величины для такого движения.

Дифференцируя уравнения (1) по t ,  находим компоненты вектора скорости:
vx  = .x = – R sin t ; 
vy  = .y = R cos t ; 
vz  = .z = H . 

Квадрат скорости:
v 2  ≡ (v ⋅ v ) = v 2x  + v 2y  + v 2z  = R 2 sin 2t + R 2 cos 2t + H 2  = R 2  + H 2  . 
Модуль скорости:
v = v 2   = R 2  + H 2    . 

Единичный вектор в направлении касательной к траектории:
τ = vv = 1v (vx ,  vy ,  vz ) = 1R 2  + H 2   (– R sin t,  R cos t,  H ) . 
Мы выбрали направление вектора τ ,  совпадающим с направлением скорости. Поэтому
vτ  = v = R 2  + H 2    . 

Дифференцируя компоненты вектора скорости по t ,  находим компоненты вектора ускорения:
ax  = .vx  = – R cos t ; 
ay  = .vy  = – R sin t ; 
az  = .vz  = 0 . 

Проекция ускорения на направление вектора τ  : 
aτ  = (a ⋅ τ ) = axτx  + ayτy  + azτz  = 
1R 2  + H 2   (R 2 cos t sin t – R 2 sin t cos t + 0 ) = 0 . 
Этот результат можно получить и более простым способом. Для этого учтем, что модуль скорости v и, следовательно vτ  = v ,  не зависит от t .  Тогда:
aτ  = dvτdt = 0 . 
Вектор касательного ускорения:
aτ  = aττ = aτ (τx ,  τy ,  τz ) =  (0,  0,  0 ) . 

Вектор нормального ускорения:
an  = a – aτ  =  (ax  – aτx ,  ay  – aτy ,  az  – aτz ) =  (ax  – 0,  ay  – 0,  az  – 0 ) = 
 (ax ,  ay ,  az ) =  (– R cos t,   – R sin t,  0 ) . 

Квадрат вектора нормального ускорения:
a 2n  ≡ (an  ⋅ an ) = a 2nx  + a 2ny  + a 2nz  = R 2 cos 2t + R 2 sin 2t + 0 2  = R 2  . 
Модуль вектора нормального ускорения:
an  = a 2n   = R 2   = R . 

Радиус кривизны траектории:
ρ = v 2an = 1R(R 2  + H 2  ) . 

Единичный вектор в направлении главной нормали траектории:
n = anan = 1an (anx ,  any ,  anz ) = 1R (– R cos t,   – R sin t,  0 ) =  (– cos t,   – sin t,  0 ) . 

Единичный вектор в направлении бинормали:
b = [τ × n ] = (τynz  – τzny ,  τznx  – τxnz ,  τxny  – τynx ) = 
1R 2  + H 2   (0 + H sin t,   – H cos t – 0,  R sin t sin t + R cos t cos t ) = 
1R 2  + H 2   (H sin t,   – H cos t,  R ) . 

Ответ

τ = 1R 2  + H 2   (– R sin t,   R cos t,  H ) ; 
n = (– cos t,   – sin t,  0 ) ; 
b = 1R 2  + H 2   (H sin t,   – H cos t,  R ) ; 
ρ = 1R(R 2  + H 2  ) , 
где H = h2π  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню