Planeta krąży wokół Słońca, prąd płynie w prostym przewodzie, elektron siedzi w atomie. W każdym z tych problemów jest wyróżniony środek albo oś i współrzędne kartezjańskie tylko przeszkadzają. Ta lekcja daje trzy układy dopasowane do takiej symetrii. Ważniejsze od samych wzorów jest jedno spostrzeżenie: wersory tych układów zmieniają kierunek z miejsca na miejsce. Z tego biorą się przyspieszenie dośrodkowe, człon Coriolisa w przyspieszeniu i dodatkowe czynniki we wzorze na gradient.
Czas
ok. 2,5 h teorii + 2 h zadań
Zadania
20 zadań w treści, z podpowiedziami i odpowiedziami
Źródła
J. Stewart, Multivariable Calculus, wyd. 7, §10.3, §15.8, §15.9; K. A. Stroud, Engineering Mathematics
0 Prolog: z Warszawy do Nowego Jorku
Warszawa leży na szerokości 52,23∘ N i długości 21,01∘ E, Nowy Jork na 40,71∘ N i 74,01∘ W. Jak daleko leci samolot? Na płaskiej mapie wystarczyłoby twierdzenie Pitagorasa, ale Ziemia jest (prawie) kulą, a szerokość i długość geograficzna to nie są współrzędne kartezjańskie. Na typowej mapie (np. w odwzorowaniu Merkatora) najkrótsza trasa wygląda w dodatku na łuk wygięty na północ.
Pytanie na start. Oszacuj odległość po powierzchni Ziemi (promień 6371 km). Czy łuk na mapie oznacza, że samolot nadkłada drogi? Odpowiedź w przykładzie 3.1.
Szerokość i długość geograficzna to w istocie współrzędne sferyczne. Żeby z nich liczyć, trzeba umieć przejść do zwykłych osi x, y, z i z powrotem. Zaczniemy od płaszczyzny, gdzie widać najważniejsze zjawisko: wersory „idą” razem z punktem.
1 Współrzędne biegunowe i ruchome wersory
W lekcji 0.4 Geometria analityczna i krzywe stożkowe punkt płaszczyzny opisaliśmy odległością r od początku i kątem θ od dodatniej półosi x: x=rcosθ, y=rsinθ. Teraz dołóżmy do każdego punktu dwa wersory: r^ wskazuje kierunek, w którym rośnie r (od środka na zewnątrz), a θ^ kierunek, w którym rośnie θ (prostopadle, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara):
Wektor położenia to r=rr^. Wersory są prostopadłe i mają długość 1, ale ich kierunek zależy od θ.
Wersory , są wszędzie takie same, a r^ i θ^ obracają się razem z punktem. Gdy punkt się porusza, zmieniają się więc nie tylko współrzędne, ale i wersory. Różniczkujemy r=rr^ iloczynowo (lekcja 1.3 Pochodne), pamiętając, że r^˙=θ˙θ^ (reguła łańcuchowa):
Prędkość i przyspieszenie we współrzędnych biegunowych
v=r˙r^+rθ˙θ^,a=(r¨−rθ˙2)r^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^.
Każdy wyraz ma sens fizyczny. r˙ to prędkość oddalania się od środka, rθ˙ to prędkość „po okręgu”. W przyspieszeniu −rθ˙2 to przyspieszenie dośrodkowe z lekcji 1.3 Pochodne (dla ruchu po okręgu zostaje tylko ono i rθ¨). Wyraz 2r˙θ˙ pojawia się, gdy punkt jednocześnie oddala się od środka i obraca: to człon Coriolisa. W układzie inercjalnym to nie jest siła, tylko część przyspieszenia; w układzie obracającym się razem z ciałem ten sam wyraz pojawia się jako pozorna siła Coriolisa. Nikt tu nie wprowadza nowych sił. Te wyrazy biorą się wyłącznie z tego, że wersory się obracają.
Przykład 1.1 Biedronka na obracającej się platformie
Obrotowa platforma (jak karuzela) obraca się ze stałą prędkością kątową ω=2rad/s. Biedronka idzie od środka wzdłuż narysowanego na niej promienia z prędkością v=0,1m/s względem platformy, więc r=vt, θ=ωt. Oblicz jej prędkość i przyspieszenie (względem podłogi) po t=3s.
r=0,3m, r˙=0,1m/s, r¨=0, θ˙=2rad/s, θ¨=0.
v=0,1r^+0,3⋅2θ^=0,1r^+0,6θ^ (m/s), ∣v∣≈0,61m/s.
a=(0−0,3⋅4)r^+(0+2⋅0,1⋅2)θ^=−1,2r^+0,4θ^ (m/s²).
Wynik:v=0,1r^+0,6θ^m/s, a=−1,2r^+0,4θ^m/s2.
Sprawdzenie: biedronka idzie po prostej względem platformy ze stałą prędkością, a mimo to ma przyspieszenie względem podłogi. Składowa 0,4m/s2 wzdłuż θ^ to człon Coriolisa. Połowa (r˙θ˙=0,2) bierze się stąd, że im dalej od środka, tym szybciej porusza się podłoże; druga połowa stąd, że prędkość r˙r^ obraca się razem z platformą. Jednostki: m⋅rad2/s2=m/s2 ✓.
Dla siły centralnej (skierowanej wzdłuż promienia, do środka lub od środka, jak grawitacja) składowa θ^ przyspieszenia jest zerowa: rθ¨+2r˙θ˙=r1dtd(r2θ˙)=0. Zatem r2θ˙ jest stałe: to zachowanie momentu pędu, a geometrycznie drugie prawo Keplera (promień zakreśla równe pola w równych czasach, bo prędkość polowa to 21r2θ˙). Tę historię opowiada lekcja fizyki o grawitacji (Dział 5: Grawitacja i orbity).
1.1 Gradient we współrzędnych biegunowych
Przesunięcie o dr zmienia położenie o dr wzdłuż r^, a przesunięcie o dθ o rdθ wzdłuż θ^ (łuk okręgu). Zatem dr=drr^+rdθθ^. Piszemy ∇f=Ar^+Bθ^; wtedy ∇f⋅dr=Adr+Brdθ, a to ma być równe df=frdr+fθdθ. Porównanie daje A=fr, B=r1fθ (to samo wychodzi z reguły łańcuchowej z lekcji 3.1 Reguła łańcuchowa, ekstrema i mnożniki Lagrange'a w wielu zmiennych):
∇f=∂r∂fr^+r1∂θ∂fθ^.
Czynnik 1/r jest konieczny: kąt nie jest długością, a zmiana θ o dθ przesuwa punkt o rdθ. Ten sam pomysł daje element pola dA=rdrdθ (prostokącik o bokach dr i rdθ), którego użyjemy w lekcji 3.3 Całki podwójne i potrójne.
Symulacja 1 Ruchome wersory. Punkt porusza się po okręgu albo po spirali. Przy punkcie widać wersory r^, θ^ (na rysunku e^r, e^θ; obracają się razem z punktem), a także rozkład prędkości i przyspieszenia na składowe. Na spirali pojawia się składowa Coriolisa 2r˙θ˙ wzdłuż θ^ (przerywana). Strzałki v i a są narysowane w zmniejszonej skali.
Wyprowadź wzór na a, różniczkując v=r˙r^+rθ˙θ^ i używając r^˙=θ˙θ^, θ^˙=−θ˙r^.
Odpowiedź
v˙=r¨r^+r˙θ˙θ^+(r˙θ˙+rθ¨)θ^+rθ˙(−θ˙r^). Zbierając: (r¨−rθ˙2)r^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^. Dwójka przy r˙θ˙ bierze się z dwóch różnych miejsc.
Oblicz gradient f=x2+y2 i g=y/x we współrzędnych biegunowych. Porównaj z kartezjańskim wynikiem dla f.
Odpowiedź
f=r2: ∇f=2rr^, czyli 2r=[2x;2y] ✓. g=tanθ: ∇g=rcos2θ1θ^.
Satelita na orbicie eliptycznej wokół pewnej planety ma w perycentrum r=7000 km i prędkość 8 km/s, a w apocentrum r=14000 km. Jaka jest prędkość w apocentrum?
Wskazówka
W perycentrum i apocentrum r˙=0, więc v=rθ˙. Zachowane jest r2θ˙=rv.
Odpowiedź
7000⋅8=14000⋅v, więc v=4 km/s.
Zapisz element pola dA we współrzędnych biegunowych i oblicz nim pole koła o promieniu R (całkując po r od 0 do R i po θ od 0 do 2π).
Odpowiedź
dA=rdrdθ; ∫02π∫0Rrdrdθ=2π⋅2R2=πR2 ✓.
Koralik ślizga się bez tarcia po pręcie, który obraca się w płaszczyźnie poziomej ze stałą ω. W płaszczyźnie ruchu siła pręta działa tylko wzdłuż θ^ (w pionie równoważy ciężar). Pokaż, że r¨=ω2r, i rozwiąż to równanie dla r(0)=r0, r˙(0)=0. Jaką siłą pręt działa na koralik o masie m?
Odpowiedź
Składowa r^ siły jest zerowa: r¨−rω2=0. Rozwiązanie: r=r0coshωt (funkcje hiperboliczne z lekcji 0.3 Trygonometria i funkcje hiperboliczne). Siła: m(rθ¨+2r˙θ˙)=2mωr˙=2mω2r0sinhωt, wzdłuż θ^.
2 Współrzędne walcowe
W trzech wymiarach najprostsze rozszerzenie to dołożenie do biegunowych zwykłej wysokości z. Odległość od osi z oznaczamy ρ (żeby nie mylić jej z odległością od początku), a kąt azymutalny φ. Uwaga: kąt θ z płaszczyzny nazywa się teraz φ; litera θ zostaje zarezerwowana dla kąta od osi z we współrzędnych sferycznych.
Walcowe pasują do wszystkiego, co ma oś symetrii: przewodu z prądem, rury, wiru, pręta. Pole elektryczne naładowanego, długiego przewodu jest skierowane wzdłuż ρ^ i maleje jak 1/ρ (Dział 13: Pole elektryczne i prawo Gaussa), a pole magnetyczne przewodu z prądem okrąża go wzdłuż φ^ (Dział 15: Prąd i pole magnetyczne). W kartezjańskich byłoby to ∝x2+y2[x;y;0] i ∝x2+y2[−y;x;0].
Zadania · część 2
5 zadań · ok. 30 min
Zamień na walcowe punkt (1;1;1), a na kartezjańskie punkt ρ=3, φ=120∘, z=−2.
Odpowiedź
ρ=2, φ=45∘, z=1. (−1,5;2,60;−2).
Jakie powierzchnie opisują równania ρ=2, φ=30∘, z=5?
Odpowiedź
Walec o osi z i promieniu 2; półpłaszczyzna zawierająca oś z; płaszczyzna pozioma.
Oblicz gradient f=lnρ i g=φ. Gdzie te funkcje się pojawiają w fizyce?
Odpowiedź
∇lnρ=ρ1ρ^: tak maleje pole elektryczne przewodu (potencjał przewodu jest proporcjonalny do −lnρ). ∇φ=ρ1φ^: kształt pola magnetycznego przewodu z prądem i prędkości w wirze potencjalnym (φ nie jest jednoznaczną funkcją, bo po obejściu osi rośnie o 2π).
Zapisz wektor F=[−y;x;0] we współrzędnych walcowych. Jak wygląda jego wykres?
Odpowiedź
[−y;x;0]=ρ[−sinφ;cosφ;0]=ρφ^. Wiry wokół osi z, coraz szybsze z odległością, jak w obracającej się bryle sztywnej.
Oblicz objętość walca o promieniu R i wysokości H, całkując dV=ρdρdφdz.
Odpowiedź
2R2⋅2π⋅H=πR2H ✓.
3 Współrzędne sferyczne
Gdy jest wyróżniony środek (Słońce, jądro atomu, ładunek punktowy), naturalnym opisem jest odległość od środka r i dwa kąty. Używamy konwencji fizycznej (normy ISO 80000-2): θ to kąt od dodatniej półosi z (kąt biegunowy, od 0 na „biegunie północnym” do π na „południowym”), a φ to azymut, jak w walcowych.
Współrzędne sferyczne (r;θ;φ)
x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosθ;r≥0,0≤θ≤π,0≤φ<2π.
Równoważnie −180∘<φ≤180∘; np. φ=−74,01∘ to to samo co 285,99∘.
Czynniki przy przesunięciach mają prosty sens. Zmiana θ przesuwa punkt po południku, okręgu o promieniu r: łuk rdθ. Zmiana φ przesuwa go po równoleżniku, okręgu o promieniu rsinθ (odległość od osi): łuk rsinθdφ. Równoleżniki kurczą się ku biegunom i stąd sinθ w mianowniku gradientu oraz w elemencie objętości. Prostopadłościanik o bokach dr, rdθ, rsinθdφ ma objętość r2sinθdrdθdφ.por. Stewart §15.9
Pułapka · dwie konwencje
Matematycy (w tym Stewart) często piszą (ρ;θ;φ) z θ jako azymutem i φ jako kątem od osi z, czyli odwrotnie niż fizycy. Wzory są te same po zamianie liter. U Stewarta ρ w sferycznych to odległość od początku (u nas r), a walcowe zapisuje on jako (r;θ;z). Zawsze sprawdź, który kąt mierzy się od osi z. W tym kursie: θ od osi z, φ azymut.
Wersor r^=[sinθcosφ;sinθsinφ;cosθ] wskazuje od środka, θ^ na „południe” wzdłuż południka, φ^ na „wschód” wzdłuż równoleżnika. Geografia używa tego samego układu z dwiema zmianami: szerokość geograficzna to 90∘−θ (liczona od równika), a długość to φ (na zachód ujemna).
Przykład 3.1 Warszawa–Nowy Jork
Oblicz odległość po powierzchni Ziemi (R=6371 km) między Warszawą (52,23∘ N, 21,01∘ E) a Nowym Jorkiem (40,71∘ N, 74,01∘ W).
Wersory r^: dla Warszawy θ=37,77∘, φ=21,01∘: r^W≈[0,572;0,220;0,790]. Dla Nowego Jorku θ=49,29∘, φ=−74,01∘: r^N≈[0,209;−0,729;0,652].
Kąt między nimi z iloczynu skalarnego (lekcja 1.1 Wektory): cosγ=r^W⋅r^N≈0,475, γ≈61,6∘≈1,076 rad.
Najkrótsza droga po kuli to łuk koła wielkiego (o środku w środku Ziemi): s=Rγ≈6371⋅1,076.
Wynik: około 6850 km.
Sprawdzenie: cięciwa (tunel przez Ziemię) R∣r^W−r^N∣≈6530 km jest krótsza od łuku, jak powinna. Łuk na mapie nie oznacza nadkładania drogi: to płaska mapa zniekształca koło wielkie, które na kuli jest najkrótszą drogą.
Symulacja 2 Współrzędne sferyczne w przestrzeni. Zmieniaj r, θ i φ. Przy punkcie widać wersory r^, θ^, φ^ (na rysunku e^r, e^θ, e^φ), a na sferze południk i równoleżnik przez punkt. Zwróć uwagę, jak równoleżnik maleje do zera przy θ→0: dlatego w elemencie objętości stoi sinθ. Przeciągnij rysunek, żeby obrócić widok.
Zadania · część 3
8 zadań · ok. 55 min
Zamień na sferyczne punkty (1;1;1), (−2;0;0), (0;0;−3), a na kartezjańskie punkt r=2, θ=60∘, φ=90∘.
Odpowiedź
r=3, θ=arccos31≈54,7∘, φ=45∘. r=2, θ=90∘, φ=180∘. r=3, θ=180∘, φ dowolne (na osi z azymut nie jest określony). (0;3;1).
Jakie powierzchnie opisują r=5, θ=30∘, φ=0?
Odpowiedź
Sfera; górna połowa stożka o wierzchołku w zerze i osi z (półkąt rozwarcia 30∘, nad płaszczyzną xy); półpłaszczyzna xz z x>0.
Oblicz gradient energii potencjalnej U=−rGMm we współrzędnych sferycznych. Jaka jest siła?
Odpowiedź
∇U=r2GMmr^, więc F=−∇U=−r2GMmr^: prawo powszechnego ciążenia, jedną linijką.
Wyraź z^ przez r^ i θ^, licząc gradient funkcji f=z=rcosθ na dwa sposoby.
Odpowiedź
Kartezjańsko ∇z=z^. Sferycznie: fr=cosθ, r1fθ=−sinθ, więc z^=cosθr^−sinθθ^.
Z jaką prędkością porusza się Warszawa (52,23∘ N) wokół osi Ziemi? Długość doby gwiazdowej (obrót względem gwiazd, a nie Słońca) to 86164 s. Ile wynosi długość równoleżnika Warszawy?
Odpowiedź
Promień równoleżnika Rsinθ=Rcos(52,23∘)≈3902 km, obwód ≈24500 km, prędkość ≈285 m/s (na równiku 465 m/s).
Oblicz pole sfery i objętość kuli, całkując dA=R2sinθdθdφ i dV.
Jaka część powierzchni Ziemi leży na północ od koła podbiegunowego (66,56∘ N)?
Wskazówka
Czapka 0≤θ≤θ0 ma pole 2πR2(1−cosθ0).
Odpowiedź
θ0=23,44∘, 21−cosθ0≈0,041, czyli około 4% (ok. 21 mln km²).
Dwa punkty leżą na tym samym równoleżniku 52,23∘ N, 90∘ długości od siebie. Porównaj drogę wzdłuż równoleżnika z drogą po kole wielkim. Dlaczego samoloty nie lecą wzdłuż równoleżnika?
Odpowiedź
Po równoleżniku: ćwierć obwodu 24500/4≈6130 km. Po kole wielkim: cosγ=sin2(52,23∘) (tu szerokość!) daje γ≈51,3∘, s≈5710 km, o 420 km mniej. Równoleżnik (poza równikiem) nie jest kołem wielkim, więc nie jest najkrótszą drogą.
4 Błędne intuicje
„Wersory r^, θ^ są stałe jak , .”
Zmieniają się z położeniem. Różniczkując wektor zapisany w tych wersorach, trzeba różniczkować także wersory. Stąd człony −rθ˙2 i 2r˙θ˙.
„∇f=[fr;fθ;fφ].”
Nie: kąty to nie długości. Poprawnie frr^+r1fθθ^+rsinθ1fφφ^. Sprawdź wymiary: fθ ma inną jednostkę niż fr.
„dV=drdθdφ.”
Brakuje r2sinθ. Bez tego objętość kuli wyszłaby 2π2R, z jednostką długości zamiast objętości.
„Kąt θ w sferycznych to szerokość geograficzna.”
Szerokość to 90∘−θ. Na równiku θ=90∘, na biegunie północnym θ=0.
„Każdy punkt ma jednoznaczne współrzędne sferyczne.”
Na osi z azymut φ jest dowolny, a w zerze dowolne są oba kąty. W tych punktach wzory z 1/(rsinθ) wymagają ostrożności.
„Najkrótsza trasa to ta, która na mapie jest odcinkiem prostej.”
Na kuli najkrótsza jest droga po kole wielkim, która na typowej mapie (np. Merkatora) wygląda na łuk (przykład 3.1).
5 Sprawdź się
1 Ile wynosi dr^/dθ?
θ^.
2 Co oznacza wyraz −rθ˙2 w przyspieszeniu?
Przyspieszenie dośrodkowe.
3 Jaka wielkość jest stała przy ruchu w polu siły centralnej?
r2θ˙ (moment pędu na jednostkę masy); stąd drugie prawo Keplera.
4 Jak wygląda element objętości we współrzędnych walcowych?
ρdρdφdz.
5 A w sferycznych?
r2sinθdrdθdφ.
6 Od czego mierzy się kąt θ w konwencji fizycznej?
Od dodatniej półosi z.
7 Jak obliczyć odległość dwóch miast po powierzchni Ziemi?
Rγ, gdzie cosγ=r^1⋅r^2.
6 Karta wzorów i co dalej
Biegunowe i walcowe
x=rcosθ, y=rsinθ; r^=[cosθ;sinθ], θ^=[−sinθ;cosθ]
r^˙=θ˙θ^, θ^˙=−θ˙r^
v=r˙r^+rθ˙θ^
a=(r¨−rθ˙2)r^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^
siła centralna: r2θ˙=const
∇f=frr^+r1fθθ^; dA=rdrdθ
walcowe: ∇f=fρρ^+ρ1fφφ^+fzz^; dV=ρdρdφdz
Sferyczne (θ od osi z)
x=rsinθcosφ, y=rsinθsinφ, z=rcosθ
dr=drr^+rdθθ^+rsinθdφφ^
∇f=frr^+r1fθθ^+rsinθ1fφφ^
dV=r2sinθdrdθdφ; dAsfery=R2sinθdθdφ
geografia: szerokość =90∘−θ, długość =φ
koło wielkie: s=Rγ, cosγ=r^1⋅r^2
Do przeczytania w podręcznikach matematyki
J. Stewart, Multivariable Calculus: §10.3 (współrzędne biegunowe), §15.8 i §15.9 (całki potrójne we współrzędnych walcowych i sferycznych). Uwaga na konwencję kątów.
K. A. Stroud, Engineering Mathematics: współrzędne biegunowe, walcowe i sferyczne oraz ich elementy pola i objętości.