1.2. Декартова (правая) система координат
Напомним, что в правой системе за положительное принимается направление отсчета углов (поворотов) против часовой стрелки. Радиус-вектор точки как функция времени задается тремя координатами , являющимися также функциями времени. Вводя единичные векторы вдоль осей Ox, Оу, Oz соответственно, представим в виде
. (3.1)
Функции - компоненты радиус-вектора, т. е. декартовы координаты точки.
Дифференцируя (3.1) по времени с учетом равенств , получим разложение вектора скорости точки по ортам декартовой системы координат:
. (4.1)
И аналогично получим вектор ускорения точки:
. (5.1)
Для справочных целей напомним следующее представление вектора :
, (6.1)
где - компоненты секторной скорости вдоль декартовых осей.
1.3. Цилиндрическая система координат
Положение точки в пространстве в момент времени можно определить тройкой величин , которые являются цилиндрическими координатами точки (рис. 2.1). Формулы преобразования от декартовых координат к цилиндрическим и обратно имеют вид
, (7.1)
. (8.1)
Это так называемые точечные преобразования; формулы этих преобразований содержат только координаты («старые» и «новые»), но не содержат явным образом временной переменной. Последнее означает, что обе системы координат описывают движение точки в одной и той же (неподвижной) системе отсчета. Области изменения цилиндрических координат: .
Координатные поверхности в цилиндрической системе2: - семейство цилиндров кругового сечения радиуса с осью Оz; - семейство полуплоскостей, исходящих из оси Оz , в которых лежат радиус-вектор точки и ось Оz; - семейство плоскостей, перпендикулярных Oz. Линия пересечения двух каких-либо координатных поверхностей различных семейств называется координатной линией. Так как вдоль каждой координатной линии меняется только одна координата, то ее и называют соответствующей координатой. Очевидно, координатные линии - это концентрические окружности, координатные линии - это полупрямые (лучи), исходящие из начала координат О (см. рис. 2.1), координатные линии - прямые, параллельные оси Oz. Так как координатные линии не являются прямыми, цилиндрические координаты относятся к криволинейным. Очевидно, что три координатные линии, которые определяют точку пространства , пересекают друг друга под прямыми углами, т. е. цилиндрические координаты являются ортогональными координатами.
Касательная, проведенная к данной точке координатной линии, называется координатной осью. Все три оси цилиндрической системы координат ортогональны друг другу. Отложим по этим осям единичные векторы в направлении возрастания координат и разложим радиус-вектор точки по ортам цилиндрических координат:
. (9.1)
Из рис. 2.1 видно, что орты цилиндрических координат связаны с ортами декартовых координат соотношениями
(10.1)
Отсюда видно, что при перемещении точки относительно S положение ортов , изменяется вследствие изменения угла . Действительно, вычислим и
(11.1)
Дифференцируя (9.1) по t и учитывая (11.1), находим разложение вектора скорости точки по ортам цилиндрической системы координат:
. (12.1)
Аналогично, дифференцируя по t и учитывая (11.1), получим
. (13.1)
Таким образом, проекции скорости и ускорения точки на координатные оси имеют вид
(14.1)
Приведем также разложение вектора секторной скорости точки по ортам цилиндрической системы координат:
(15.1)
Из (14.1) и (15(1) следует, что
. (16.1)
Рассмотрим далее важный случай движения, при котором секторная скорость точки остается постоянной, т. е. .
Введем цилиндрическую систему координат с осью Оz, направленной по вектору .
Так как , то и радиус-вектор и скорость точки в любой момент времени лежат в плоскости, ортогональной вектору . В этом случае проекции скоростей и ускорений можно непосредственно выразить как функции и , а не и , а также через производные по функции . Действительно, в выбранной системе координат имеем
(17.1)
. (18.1)
Значит,
. (19.1)
Далее из (16.1) имеем , а
(20.1)
Так что
. (21.1)
Формулы (19.1) и (21.1) называют первой и второй формулами Бине соответственно. Они оказываются полезными при исследовании различных случаев движения материальной точки в центрально-симметричном силовом поле.
Пример. Траектории точек являются плоскими и определяются уравнениями
а) , б) ,
- параметр, - эксцентриситет эллипса, секторная скорость . Начало цилиндрических координат помещено в фокусе эллипса. Определить ускорения точек.
Прежде всего, заметим, что траектории точек различны. Так, в случае а) точка движется по эллипсу (рис. 3.l, а), в то время как в случае б) траектория представляет собой розетку и не обязательно является замкнутой кривой (рис. 3.1, б).
По второй формуле Бине, дважды дифференцируя по , находим
и в случае а),
а и в случае б).
Отличие в ускорениях точек согласно уравнениям движения означает, что действующие на точки в случаях а) и б) силы имеют разные законы убывания с расстоянием от центра силы до точки. В частности, в случае б) сила ~ . Если речь идет о движении планет в гравитационном поле Солнца, то мы видим, что в случае б) перигелий планеты при каждом обороте смещается на величину .
Пример. Определение радиус-вектора точки по скорости
Определить закон движения, траекторию и ускорение точки, движущейся по плоской траектории с постоянной секторной скоростью, еcли , где - расстояние от точки до центра, , причем угол между векторами и равен .
Направим полярную ось от центра к точке так, чтобы при , тогда , а . Отсюда , так как если , то . Разделяя переменные
и интегрируя, получим
.
Далее найдем :
.
Отсюда
или
.
Ускорение точки найдем по формуле Бине в виде:
.