【双语物理】柱坐标 Cylindrical Coordinate System

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圆柱坐标系和球坐标系

圆柱坐标系和球坐标系

圆柱坐标系和球坐标系1. 圆柱坐标系圆柱坐标系是一种常用的三维坐标系,由一个水平的圆柱面和一个垂直的直线轴线组成。

在圆柱坐标系中,一个点的位置由径向距离、角度和高度三个参数来确定。

下面分别介绍这三个参数的定义和使用。

1.1 径向距离径向距离是指从原点(轴线的起点)到点的距离,通常用r表示。

在平面直角坐标系中,点(x,y)到坐标原点的距离可以用勾股定理来计算:$r = \\sqrt{x^2 +y^2}$。

在圆柱坐标系中,点$(r, \\theta, z)$到坐标原点的距离就是径向距离r。

1.2 角度角度参数$\\theta$表示从正向x轴逆时针转到点所在的平面的角度,通常用弧度表示。

在平面直角坐标系中,点(x,y)的角度可以用反正切函数来计算:$\\theta = \\arctan(\\frac{y}{x})$。

在圆柱坐标系中,点$(r, \\theta, z)$的角度就是参数$\\theta$。

1.3 高度高度参数z表示点在垂直轴线上的位置。

高度可以为正、负或零。

在圆柱坐标系中,一个点的位置可以用三个参数$(r, \\theta, z)$来表示。

2. 球坐标系球坐标系是另一种常用的三维坐标系,由一个球面和一个垂直的直线轴线组成。

在球坐标系中,一个点的位置由极径、极角和方位角三个参数来确定。

下面分别介绍这三个参数的定义和使用。

2.1 极径极径是指从原点到点的距离,通常用r表示。

在平面直角坐标系中,点(x,y)到坐标原点的距离可以用勾股定理来计算:$r = \\sqrt{x^2 + y^2}$。

在球坐标系中,点$(r, \\theta, \\phi)$到坐标原点的距离就是极径r。

2.2 极角极角参数$\\theta$表示从正向x轴逆时针转到点所在的平面的角度,通常用弧度表示。

在平面直角坐标系中,点(x,y)的角度可以用反正切函数来计算:$\\theta = \\arctan(\\frac{y}{x})$。

圆柱的坐标系有几个

圆柱的坐标系有几个

圆柱的坐标系有几个圆柱体是一种几何体,它有一个圆形的底面和一个与底面平行的侧面,由这两个部分组成。

在数学和物理学中,圆柱的坐标系是一种用来描述圆柱体上各个点的方法。

圆柱的坐标系分为三种:直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。

每种坐标系都以不同的方式描述圆柱体上的点的位置。

1.直角坐标系(Cartesian Coordinates)直角坐标系是最常见且最常用的坐标系。

它使用三个坐标轴(x、y和z)来确定一个点的位置。

在一个二维的圆柱体上,可以使用两个坐标轴(x和y)来描述点的位置。

其中,x轴是圆柱侧面上的直线,y轴垂直于x轴。

2.柱坐标系(Cylindrical Coordinates)柱坐标系是一种借助极坐标建立的坐标系,使用两个坐标和一个高度来描述圆柱体上的点。

通常,使用一个角度(θ)来表示点相对于圆柱体底面上的位置,再使用一个距离(r)表示点离底面圆心的距离,最后使用高度(z)来描述点在圆柱体上的位置。

3.球坐标系(Spherical Coordinates)球坐标系是一种使用极坐标建立的坐标系,用来描述在圆柱体上的点。

它使用两个角度和一个距离来确定点的位置。

一个角度(θ)表示点相对于底面上的位置,另一个角度(φ)表示点距离底面的高度角度,最后使用距离(ρ)来描述点离开底面的距离。

因此,圆柱的坐标系共有三种,即直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。

每种坐标系都有自己特定的用途和应用领域。

在数学和物理学中,这些坐标系被广泛应用于描述圆柱体上的各个点的位置和运动,为研究圆柱体相关问题提供了便利。

总结起来,圆柱的坐标系有三种,分别是直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。

每种坐标系都以不同的方式描述圆柱体上的点的位置,通过使用不同的坐标轴和角度来确定点的位置。

通过这些坐标系,我们可以更方便地进行圆柱体相关问题的研究和解决。

圆柱坐标是什么意思图片

圆柱坐标是什么意思图片

圆柱坐标是什么意思圆柱坐标是一种描述三维空间中点位置的坐标系统。

它由一个径向距离、一个方位角和一个高度组成。

使用圆柱坐标系统可以在数学和物理领域中更方便地描述和计算与圆柱形体相关的问题。

圆柱坐标的定义在圆柱坐标系统中,一个点的位置由三个坐标值确定:径向距离(r)、方位角(θ)和高度(z)。

径向距离是从原点(坐标轴起点)到点之间的直线距离,它的单位可以是任意长度单位,例如米、厘米等。

方位角是从一个参考轴(通常为正x轴)逆时针旋转到径向距离所在射线的角度,它的单位可以是任意角度单位,例如弧度、角度等。

高度是点在z轴上的垂直距离,它的单位通常和径向距离的单位相同。

圆柱坐标与直角坐标的转换圆柱坐标和直角坐标(也称为笛卡尔坐标)是两种不同的坐标系统。

在某些情况下,我们可能需要将一个点的位置从一种坐标系统转换到另一种坐标系统。

将圆柱坐标转换为直角坐标可以使用以下公式:x = r * cos(θ) y = r * sin(θ) z = z其中,x、y、z分别表示点在直角坐标系统中的坐标,r表示径向距离,θ表示方位角,z表示高度。

cos和sin分别代表余弦和正弦函数。

将直角坐标转换为圆柱坐标可以使用以下公式:r = sqrt(x^2 + y^2) θ = arctan(y / x) z = z其中,sqrt表示平方根函数,arctan表示反正切函数。

圆柱坐标的应用圆柱坐标在数学和物理学中有广泛的应用。

以下是一些常见的应用场景:1.圆柱形体的体积和表面积计算:使用圆柱坐标可以简化计算圆柱形体的体积和表面积公式。

2.电场和磁场的描述:在电磁学中,使用圆柱坐标可以更方便地描述电场和磁场的分布情况。

3.动力学问题的求解:在物理学的动力学问题中,例如分析圆柱体在斜面上滚动的问题,使用圆柱坐标可以简化问题的描述和求解过程。

4.机械工程:在机械工程中,使用圆柱坐标可以描述和计算涉及到圆柱形体的运动学和动力学问题,例如轴承和滚子的运动轨迹等。

机械工程专业英语

机械工程专业英语

配合方式:
Loosely fitting Clearance fit Transition fit 过盈配合 松弛配合 间隙配合
Interference fit
过渡配合
衡量指标:
Specific heat Static-equilibrium position Specific gravity
比重 比热 基本尺寸
立铣刀
滚刀 车刀 深孔钻
硬质合金钻头
力:
预加载荷 拉力 扭矩 承载
Torque
Tension
Preload
overstress buoyancy load-bearing Compression
过度应力
浮力 压力
加工方法:
攻丝 打孔 研磨 插孔 去毛刺 绞孔 滚齿 滚压 Abrasive Tapping Rabbet Reaming Deburr Gear hobbing Rolling Punch
Tolerance zone
公差带
公差等级
机构系统:
Algorithm
mist coolant system Actuator
冷雾系统
曲柄滑块机构 执行机构 模拟系统 冗余系统
Slider-crank mechanism
Analog
Redundant system
规则系统
液冷系统 驱动系统
Flood coolant system subsystem
整套装置
Installation
运动:
主运动
进给运动 间歇的 行程 每齿进给量
Feed motion
Feed per tooth Stroke Intermittent Primary motion

柱坐标与球坐标系简介ppt课件

柱坐标与球坐标系简介ppt课件

栏 目 链
(2)求点C的和点D的直角坐标、柱坐标以及球坐

标.
分析:利用点的直角坐标、柱坐标以及球坐标的转化公式,结合
图形运用方程求解.
解析:(1)点 C1 的直角坐标为(1,1,1),设点 C1 的柱坐标为(ρ,
θ,z),球坐标为(r,φ,θ),其中 ρ≥0,r≥0,0≤φ≤π,0≤θ 栏

<2π,
x2+y2+z2,
φ=zr.

目 链 接
用三角函数值求角时,要结合图形确定角的取值范围再求值,若不是
特殊角,可以设定角,然后明确其余弦值或正切值,并标注角的取值
范围即可.
►变式训练
1.如图所示,已知长方体ABCDA1B1C1D1的边长AB=
6,AD=6,AA1=12,以这个长方体的顶点A为坐标原
点,以射线AB、AD、AA1分别为x轴、y轴、z轴的正半

正解一:M
2,π4 ,1的直角坐标为:
π x= 2·cos 4 =1, y= 2·sinπ4 =1, z=1,
∴M 关于原点 O 的对称点的直角坐标为(-1,-1,-1),
ρ= x2+y2= 2,
则 tan θ=xy=1,
z=-1,


∴M 关于原点 O 的对称点的柱坐标为
2,5π4 ,-1.
要明确点的球坐标(r,φ,θ)中角 φ,θ的边与坐标轴 Oz,Ox 的关
系,注意各自的限定范围,即 0≤φ≤π,0≤θ<2π,化点的球坐 栏

x=rsin 标(r,φ,θ)为直角坐标(x,y,z),需要运用公式y=rsin
φcos φsin
θ, θ,
链 接
z=rcos φ
转化为三角函数的求值与运算即可.

柱坐标系 课件

柱坐标系 课件

x=ρcos 间的变换公式为y=ρsin
θ, θ,
z=zW.
[问题思考] 1.柱坐标与平面上的极坐标之间有什么关系?
提示:柱坐标就是平面上的极坐标加上与平面垂直的 一个直角坐标.
2.在极坐标中,方程ρ=ρ0(ρ0为正常数)表示圆心在极
点,半径为ρ0的圆,方程θ=θ0(θ0为常数)表示与极轴成θ0角
已知点P的柱坐标为8,π6 ,4,求它的直角坐标.
[精讲详析] 本题考查柱坐标与直角坐标的转化,解答本
题只要将已知点的柱坐标代入相应的公式即可.
∵P点的柱坐标为(8,π6 ,4),∴ρ=8,θ=π6 .
x=ρcos 由公式y=ρsin
z=z,Байду номын сангаас
θ, x=8cos
θ, 得y=8sin
z=4,
π
6 , x=4 3,
标的方法,解答此题需要明确各坐标的意义,然后将
其代入相应公式即可解决.
x=ρcos 由公式y=ρsin
θ, θ, 得ρ2=x2+y2,z=3.
z=z,
∴ρ2=(4 3)2+(4)2=48+16=64, ∴ρ=8.
tan
θ=xy=4
4
= 3
33,
又x>0,y>0,点在第一象限.
∴θ=π6 .
π ∴点P的柱坐标为(8, 6 ,3).
π6 ,
即y=4, z=4.
给定一个底面半径为2,高为2的圆柱,建立柱 坐标系,利用柱坐标系描述圆柱侧面以及底面上点的 坐标.
[精讲详析]
本题考查柱坐标系的建法以及柱坐标的确定方法.解 答本题需要建立恰当的柱坐标系,然后根据柱坐标的 定义解决相关问题.
以圆柱底面圆的圆心为原点,取两条互相垂直的直线为x 轴y轴,以向上的中轴线为z轴正方向建立柱坐标系.

柱坐标怎么求

柱坐标怎么求

柱坐标怎么求柱坐标是三维坐标系中的一种坐标形式,用来表示空间中的点的位置。

在三维空间中,除了直角坐标系和球坐标系外,柱坐标系也是一种常用的坐标形式。

柱坐标系的定义柱坐标系由极径r、极角 $\\theta$ 和高度z三个参数来描述空间中的点的位置。

极径指从点到z轴的距离;极角是点在x−y平面上的投影与x轴正方向的夹角;高度就是点在z轴上的坐标值。

柱坐标系与直角坐标系之间的转换对于一个给定的点P(x,y,z),如果要将其从直角坐标系转换到柱坐标系,可以按照下面的公式进行计算:$r = \\sqrt{x^2 + y^2}$ $\\theta = \\arctan(\\frac{y}{x})$ z=z而反过来,将柱坐标系中的点转换为直角坐标系中的点则可以如下计算:$x = r\\cos(\\theta)$ $y = r\\sin(\\theta)$ z=z柱坐标系中的距离计算在柱坐标系中,两点之间的距离可以由下面的公式求得:$d = \\sqrt{(r_2^2 - 2r_1r_2\\cos(\\theta_2 - \\theta_1) + r_1^2) + (z_2 -z_1)^2}$其中 $r_1, \\theta_1, z_1$ 和 $r_2, \\theta_2, z_2$ 分别是两点在柱坐标系中的极径、极角和高度。

柱坐标系中的体积计算如果要计算柱坐标系中的某个物体的体积,可以通过积分计算其体积。

比如一个在柱坐标系中表示的圆锥体,其体积计算公式为:$V = \\int_0^{2\\pi}\\int_0^r\\int_0^h\\rho d\\rho d\\phi dz$其中r为圆锥底部的半径,ℎ为高度,$\\phi$ 和 $\\rho$ 分别为极坐标系中的极角和极径。

结语柱坐标系在空间中的点的表示和计算中有着重要的应用,掌握柱坐标系的基本概念和计算方法可以帮助我们更好地理解和解决空间中的问题。

通过本文简要介绍,希望读者对柱坐标系有了更清晰的认识,能够灵活运用柱坐标系进行相关计算和分析。

渐开线齿轮的画法

渐开线齿轮的画法

坐标系的介绍笛卡尔坐标系(Cartesian coordinates),即空间直角坐标系。

柱坐标(Cylindrical coordinate)z。

与直角坐标系相同,柱坐如右图所示,柱坐标系中的三个坐标变量是r、ϕ、标系中也有一个z变量。

各变量的变化范围是: r∈[0,+∞), φ∈[0, 2π] z∈R柱坐标(Cylindrical coordinate)ANSYS中的柱坐标示意图z)相对应。

X相当于柱坐标的半ANSY中的柱坐标(X,Y,Z)与上图中的(r,ϕ,径r;Y相当于柱坐标中的旋转角度ϕ(顺时针方向旋转为正,逆时针方向转为负);Z 相当于柱坐标中的高度z。

渐开线齿轮的画法渐开线的形成渐开线的形示意成图如图所示,当直线BC 沿一圆周作纯滚动的时候,直线BC 上任意一点K 的轨迹AK ,就是该圆的渐开线。

这个圆称之为渐开线的基圆,他的半径用表b r 示;直线BK 称之为渐开线的发生线,渐开线上K 点的向径OK 与渐开线起始点A 的向径OA 间的夹角i θ称为渐开线AK段的展角。

由渐开线的形成可知BK =BK (弧长)。

渐开线的极坐标方程如图所示,当渐开线做齿轮的吃苦廓时,齿廓上K 点的速度方向KD 与点K 法线BK 之间所夹的锐角称之为渐开线在K 点的压力角,用i α表示:ibir r arccos=α根据渐开线的形成方式推导渐开线齿轮的极坐标方程,O 为极点,OA 为极轴,如下建立渐开线方程:ibir r αarccos=(a )i i bi i b bABb BK ir r rrθαθαα+=+===)(tan (b )由上式(a )(b ): iiiiinv αααθ=-=tan上式称为渐开线的极坐标方程。

因为i θ仅随i α的变化而变化,所以上式又称为角i α的渐开线函数,工程中常用i inv α表示,而且可以根据函数表查取相应的函数值。

ANSYS 接触应力分析中的齿轮的建模方法【数据错误:从后面的建模数据可知齿顶圆半径(不是直径)为24,齿底圆半径(不是直径)为20。

柱坐标系与球坐标系简介课件

柱坐标系与球坐标系简介课件

Ox 轴按逆时针方向旋转到 OQ 时所转过的最小正角 为 θ,这样点 P 的位置就可以用有序数组(r,φ,θ)表示, 这样,空间的点与有序数组(r,φ,θ)之间建立了一种对 应关系.把建立上述对应关系的坐标系叫作球坐标系(或 空间极坐标系),有序数组(r,φ,θ),叫作点 P 的球坐标, 记作 P(r,φ,θ),其中 r≥0,0≤φ≤π,0≤θ<2π.
(1)因为(r,φ,θ)=2,π4 ,74π,
x=rsin φcos
θ=2sin
π 4 cos
74π=1,Hale Waihona Puke 所以y=rsin φsin
θ=2sin
π 4 sin
7π4 =-1,
π
z=rcos φ=2cos 4 = 2,
所以(1,-1, 2)为所求.
(2)因为(r,φ,θ)=3,5π 6 ,53π,
类型 3 球坐标与直角坐标互化(互动探究) [典例 3] (1)将点 A 的直角坐标(1,1, 2)化为球坐 标; (2)将点 B 的球坐标4,π3,π4化为直角坐标. 解:(1)设点 A 的球坐标为(γ,φ,θ). 由(x,y,z)=(1,1, 2),
得 r= x2+y2+z2= 4=2.
由 z=rcos φ(0≤φ≤π), 得 cos φ=zr= 22得 φ=π4; 又 tan θ=1,且 θ(0≤θ<2π)角的终边过点(1,1),得 θ=π4.
x=rsin φcos
θ=3sin
5π 6 cos
53π=34,
所以y=rsin φsin
θ=3sin
5π 6 sin
5π3 =-343,
z=rcos φ=3cos
5π 6 =-323.
所以34,-343,-3 23为所求.

圆柱坐标公式推导过程图片

圆柱坐标公式推导过程图片

圆柱坐标公式推导过程在三维几何中,我们经常会使用不同的坐标系来描述点的位置和向量的方向。

其中,圆柱坐标系是一种常见的坐标系,它由径向(r)、极角(θ)和高度(z)组成。

圆柱坐标系通常适用于柱形物体的描述,比如圆柱体。

为了更好地理解圆柱坐标系以及推导出圆柱坐标系的转换公式,我们将进行以下的推导过程。

1. 圆柱坐标系介绍圆柱坐标系是一种二维坐标系的扩展,它包括一个平面坐标系(x,y)以及一个垂直于该平面的轴,该轴称为高度轴(z)。

在圆柱坐标系中,我们用(r,θ,z)来表示点的坐标,其中:•r:点到高度轴的距离,也称为径向距离;•θ:点到x轴的投影与x轴的夹角,也称为极角;•z:点在高度轴上的坐标。

通过这种方式,我们可以以不同的角度和距离来唯一确定一个点的位置。

2. 圆柱坐标系转换公式的推导我们可以推导出将一个点从直角坐标系(x,y,z)转换到圆柱坐标系(r,θ,z)的公式。

让我们逐步推导:步骤 1:定义点的位置假设我们有一个点P位于直角坐标系中,它的坐标为(x,y,z)。

我们需要将其转换到圆柱坐标系中。

步骤 2:计算径向距离 r径向距离 r 等于点 P 在 x-y 平面上的投影与原点之间的距离。

我们可以使用勾股定理计算这个距离:r = √(x² + y²)步骤 3:计算极角θ极角θ 等于点 P 在 x-y 平面上的投影与 x 轴之间的夹角。

我们可以使用三角函数来计算这个角度:θ = arctan(y / x)步骤 4:保持高度 z 不变由于我们只是从直角坐标系中转换到圆柱坐标系,并没有改变点的高度轴坐标,所以高度 z 保持不变。

综上所述,我们得到了将点的坐标从直角坐标系(x,y,z)转换到圆柱坐标系(r,θ,z)的公式:r = √(x² + y²)θ = a rctan(y / x)z = z3. 结论通过以上的推导,我们得到了将点的坐标从直角坐标系转换到圆柱坐标系的公式。

柱坐标方程是什么

柱坐标方程是什么

柱坐标方程是什么
柱坐标系是一种在三维空间中描述点的坐标系。

这种坐标系是通过一个点的径向距离、方位角和高度来确定该点的位置。

在柱坐标系中,我们可以使用柱坐标方程来表示点的位置。

柱坐标方程通常由三个部分组成:r、$\\theta$和z,分别代表径向距离、方位角和高度。

其中,r代表点到z轴的距离,$\\theta$代表点在x−y平面上与x轴之间的夹角,z代表点在z轴上的高度。

通过这三个参数,我们可以很容易地描述三维空间中的任意点。

柱坐标系常用于描述圆柱体或柱面等几何体的特征,同时也常用于物理学、工程学和数学领域中的问题。

柱坐标方程的一般形式为:
$$P(r, \\theta, z)$$
其中P代表柱坐标系中的一个点,r、$\\theta$和z分别代表点的径向距离、方位角和高度。

在柱坐标方程中,通过改变r、$\\theta$和z的数值,我们可以表示空间中不同点的位置。

例如,当r=1、$\\theta=\\frac{\\pi}{4}$和z=2时,我们可以确定空间中的一个具体点。

柱坐标方程在解决三维空间中的问题时具有很大的灵活性和适用性。

通过转换成柱坐标系,我们可以简化问题的描述和求解过程,使得复杂的空间关系更加直观和清晰。

总之,柱坐标方程是描述三维空间中点位置的重要工具,通过r、$\\theta$和z 的组合,我们能够准确地表示空间中各个点的坐标,从而更好地理解和分析三维空间中的问题。

柱坐标系微分长度

柱坐标系微分长度

柱坐标系微分长度柱坐标系(Cylindrical Coordinate System)是一种常用的坐标系,用于描述二维和三维空间中的点位置。

在柱坐标系中,一个点的位置由距离原点的距离、与正向x轴的夹角和在z轴上的高度三个参数确定。

在柱坐标系下,我们可以通过微分长度来描述曲线的形状和长度。

1. 理解微分长度微分长度是用微积分的概念来描述曲线上一个无限小段的长度。

在直角坐标系下,微分长度可以通过勾股定理和导数的概念来求解。

但在柱坐标系下,由于坐标系的不同,我们需要重新推导微分长度的计算公式。

假设在柱坐标系下,一个曲线可以用参数方程表示为r = r(θ),其中 r 表示距离原点的距离,θ 表示与正向x轴的夹角。

我们可以将参数 t 视为弧长,即 t = s,其中 s 是从起点到该点的弧长。

那么微分长度可以表示为 ds。

2. 推导柱坐标系微分长度公式为了推导微分长度的计算公式,我们需要利用勾股定理和导数的概念。

在柱坐标系中,我们可以根据勾股定理得到以下关系式:ds² = dr² + r²dθ² + dz²其中 dr 表示 r 的微分,即变化的距离。

dθ 表示θ 的微分,即变化的角度。

dz表示 z 的微分,即变化的高度。

将这些微分平方项相加,得到了微分长度的表达式。

为了简化计算,我们可以假设曲线在 z 方向上没有变化,即 dz = 0。

这样我们的微分长度公式可以简化为:ds² = dr² + r²dθ²又因为 ds = dt,我们可以进一步将微分长度公式表示为:dt² = dr² + r²dθ²这是柱坐标系微分长度的计算公式。

3. 应用微分长度公式现在我们已经推导出了柱坐标系微分长度的计算公式,我们可以通过这个公式来计算曲线的长度。

假设我们有一个曲线在柱坐标系中的参数方程为r = f(θ),其中f(θ) 表示距离原点的距离关于θ 的函数。

圆柱坐标系位置矢量怎么求

圆柱坐标系位置矢量怎么求

圆柱坐标系位置矢量的求解方法引言在物理学和工程学中,我们经常使用不同的坐标系来描述空间中的物体位置。

圆柱坐标系是一种常用的坐标系,可以方便地描述具有圆柱对称性的系统。

在求解圆柱坐标系下的物体位置时,我们需要计算一个称为位置矢量的量。

本文将介绍如何求解圆柱坐标系下的位置矢量。

圆柱坐标系简介圆柱坐标系是一种三维坐标系,它使用三个坐标来描述空间中的点的位置。

这三个坐标分别是:径向距离r、极角$\\theta$和轴向距离z。

其中,径向距离r表示点到坐标系原点的距离,极角$\\theta$表示从x轴正向逆时针旋转到点所在的平面的角度,轴向距离z表示点在z轴上的高度。

下图展示了圆柱坐标系的坐标轴和示例点的位置。

z//// (r,θ,z)//_____________ x////圆柱坐标系中的位置矢量位置矢量是一个用于描述点在空间中位置的向量量,通常用$\\vec{r}$表示。

在圆柱坐标系下,位置矢量可以用三个分量表示,即$\\vec{r}=(r, \\theta, z)$。

其中,r、$\\theta$和z分别是点在径向、极角和轴向上的坐标。

求解位置矢量的步骤要求解圆柱坐标系下点的位置矢量,可以按照以下步骤进行:1.确定坐标系的原点和坐标轴的方向。

2.确定点的径向距离r、极角$\\theta$和轴向距离z。

3.将r、$\\theta$和z代入位置矢量的定义$\\vec{r}=(r, \\theta, z)$,得到点的位置矢量。

示例为了更好地理解如何求解圆柱坐标系下的位置矢量,我们来看一个示例。

假设我们有一个点P,其径向距离r=3、极角$\\theta=\\frac{\\pi}{4}$和轴向距离z= 2。

我们可以按照以下步骤求解点P的位置矢量:1.假设圆柱坐标系的原点是坐标系y轴正向延长线与x−y平面的交点,坐标轴的方向与直角坐标系保持一致。

2.根据给定的径向距离r=3、极角$\\theta=\\frac{\\pi}{4}$和轴向距离z=2,可以确定点P的位置。

圆柱坐标系的梯度公式

圆柱坐标系的梯度公式

圆柱坐标系的梯度公式在数学和物理学中,圆柱坐标系是一种常用的坐标系,特别适用于描述圆柱体和柱面等几何体的性质。

在圆柱坐标系中,位置由径向距离、方位角和高度三个坐标值确定。

圆柱坐标系简介圆柱坐标系可以通过以下方式定义:设直角坐标系中点P的坐标为(x,y,z),则点P对应于圆柱坐标中的点为$(\\rho, \\phi, z)$。

其中, - $\\rho$表示点P到z轴的距离,即径向距离; - $\\phi$表示点P在x-y平面上的投影与x轴正向的夹角,即方位角; - z表示点P在直角坐标系中z轴上的高度。

圆柱坐标系下的梯度在三维空间中,梯度是一个向量,用于描述标量函数在各个方向上变化最快的方向和变化率。

对于圆柱坐标系下的标量函数$f(\\rho, \\phi, z)$,其梯度ablaf可以表示为:$\ abla f = \\frac{\\partial f}{\\partial \\rho} \\hat{\\rho} + \\frac{1}{\\rho}\\frac{\\partial f}{\\partial \\phi} \\hat{\\phi} + \\frac{\\partial f}{\\partial z}\\hat{z}$其中,$\\hat{\\rho}$、$\\hat{\\phi}$和$\\hat{z}$分别是径向、方位角和高度方向上的单位向量。

梯度公式的推导我们可以通过链式法则来推导圆柱坐标系下的梯度公式。

考虑从直角坐标系到圆柱坐标系的坐标变换,我们有:$\\begin{Bmatrix} \\partial x \\\\ \\partial y \\\\ \\partial z \\end{Bmatrix}= \\begin{bmatrix} \\cos(\\phi) & -\\rho\\sin(\\phi) & 0 \\\\ \\sin(\\phi) &\\rho\\cos(\\phi) & 0 \\\\ 0 & 0 & 1 \\end{bmatrix} \\begin{Bmatrix} \\partial\\rho \\\\ \\partial \\phi \\\\ \\partial z \\end{Bmatrix}$根据梯度的定义$\ abla f = \\begin{Bmatrix} \\dfrac{\\partial f}{\\partial x}\\\\ \\dfrac{\\partial f}{\\partial y} \\\\ \\dfrac{\\partial f}{\\partial z}\\end{Bmatrix}$和链式法则,我们可以得到圆柱坐标系下的梯度公式。

文档:圆柱坐标系

文档:圆柱坐标系

圆柱坐标系
圆柱坐标系是一种三维坐标系统。

它是二维极坐标系往 z-轴的延伸。

添加的第三个坐标专门用来表示 P 点离 xy-平面的高低。

按照国际标准化组织建立的约定 (ISO 31-11) ,径向距离、方位角、高度,分别标记为ρ,φ,z。

如图右,P 点的圆柱坐标是(ρ,φ,z)。

ρ是 P 点与 z-轴的垂直距离(相当于二维极坐标中的半径r),φ是线 OP 在xy-面的投影线与正 x-轴之间的夹角(相当于二维极坐标中的θ),z与直角坐标的z等值,即P点距x-y平面的距离。

简单的说,有这个对应关系。

x=ρ cosφ
y=ρ sinφ
z=z
笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系
Pro/ENGINEER 总是显示带有 X 、Y 和 Z 轴的坐标系。

当参照坐标系生成其它特征时(例如一个基准点阵列),系统可以用三种方式表示坐标系:
笛卡尔坐标系 (Cartesian) - 系统用 X、Y 和 Z 表示坐标值。

柱坐标系 (Cylindrical) - 系统用半径、theta (q) 和 Z 表示坐标值。

球坐标系 (Spherical) - 系统用半径、theta (q) 和 phi (f) 表示坐标值。

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We first choose an origin and an axis we call the z -axis with unit vector ˆz pointing in the increasing z-direction. The level surface of points such that z =z P define a plane. We shall choose coordinates for a point P in the plane z =z P as follows.One coordinate, r , measures the distance from the z -axis to the point P . The coordinate r ranges in value from 0!r !". In Figure 9.2.1 we draw a few surfaces that have constant values of r . These `level surfaces’ are circles.Figure 9.2.1 level surfaces for the coordinate rOur second coordinate measures an angular distance along the circle. We need to choose some reference point to define the angle coordinate. We choose a ‘reference ray’, a horizontal ray starting from the origin and extending to +! along the horizontal direction to the right. (In a typical Cartesian coordinate system, our ‘reference ray’ is the positive x-direction). We define the angle coordinate for the point P as follows. We draw a ray from the origin to the point P . We define the angle ! as the angle in the counterclockwise direction between our horizontal reference ray and the ray from the origin to the point P, (see Figure 9.2.2):Figure 9.2.2 the angle coordinate Cylindrical Coordinate SystemAll the other points that lie on a ray from the origin to infinity passing through P have the same value as !. For any arbitrary point, our angle coordinate ! can take on values from 0!"<2#. In Figure 9.2.3 we depict other `level surfaces’ which are lines in theare called polar plane for the angle coordinate. The coordinates (r,!) in the plane z=zP coordinates.Figure 9.2.3 Level surfaces for the angle coordinateUnit Vectors: We choose two unit vectors in the plane at the point P as follows. We choose ˆr to point in the direction of increasing r, radially away from the z-axis. We choose ˆ!to point in the direction of increasing !. This unit vector points in the counterclockwise direction, tangent to the circle. Our complete coordinate system is shown in Figure 9.2.4. This coordinate system is called a ‘cylindrical coordinate system’. Essentially we have chosen two directions, radial and tangential in the plane and a perpendicular direction to the plane.Figure 9.2.4 Cylindrical coordinatesIf you are given polar coordinates (r ,!) of a point in the plane, the Cartesian coordinates (x ,y )can be determined from the coordinate transformationsx =r cos !(9.2.1) y =r sin !(9.2.2) Conversely, if you are given the Cartesian coordinates (x ,y ), the polar coordinates (r ,!) can be determined from the coordinate transformationsr =+(x 2+y 2)12(9.2.3) 1tan (/)y x !"= (9.2.4)Note that r !0so you always need to take the positive square root. Note also that tan !=tan(!+"). Suppose that 0/2!"##, then x !0 and y !0. Then the point (!x ,!y )will correspond to the angle !+".The unit vectors also are related by the coordinate transformationsˆˆˆcos sin r i j !!=+(9.2.5) ˆˆˆsin cos !!!="+i j (9.2.6) Similarlyˆˆˆcos sin ir !!!=" (9.2.7) ˆˆˆsin cos j r !!!=+ (9.2.8)One crucial difference between polar coordinates and Cartesian coordinates involves the choice of unit vectors. Suppose we consider a different point S in the plane. The unit vectors in Cartesian coordinates ˆˆ(,)S S i j at the point S have the same magnitude and point in the same direction as the unit vectors ˆˆ(,)P Pi j at P . Any two vectors that are equal in magnitude and point in the same direction are equal; thereforeˆˆˆˆ,S P S P ==i i j j (9.2.9)A Cartesian coordinate system is the unique coordinate system in which the set of unit vectors at different points in space are equal. In polar coordinates, the unit vectors at two different points are not equal because they point in different directions. We show this in Figure 9.2.5.Figure 9.2.5Unit vectorsat two different pointsin polar coordinates.Infinitesimal Line Elements: Consider a small infinitesimal displacement d s ! between two points P 1 and P 2 (Figure 9.2.6). This vector can be decomposed into ˆˆˆd dr rrd dz !!=++s k ! (9.2.10)Figure 9.2.6 displacement vector d s ! between two pointsInfinitesimal Area Element:Consider an infinitesimal area element on the surface of a cylinder of radius r (Figure 9.2.7).Figure 9.2.7 Area element for a cylinderThe area of this element has magnitudedA =rd !dz(9.2.11) Area elements are actually vectors where the direction of the vector d A ! pointsperpendicular to the plane defined by the area. Since there is a choice of direction, we shall choose the area vector to always point outwards from a closed surface. So for the surface of the cylinder, the infinitesimal area vector is ˆd rd dz r!=A ! (9.2.12)Consider an infinitesimal area element on the surface of a disc (Figure 9.2.8) in the x -y plane.Figure 9.2.8Area element for a discThis area element is given by the vector ˆd rd dr !=A k! (9.2.13)Infinitesimal volume element:An infinitesimal volume element (Figure 9.2.9) is given bydV =rd !dr dz(9.2.14)Figure 9.2.9 Volume element The motion of objects moving in circles motivates the use of the cylindrical coordinate system. This is ideal, as the mathematical description of this motion makes use of the radial symmetry of the motion. Consider the central radial point and a vertical axis passing perpendicular to the plane of motion passing through that central point. Then any rotation about this vertical axis leaves circles invariant (unchanged), making this system ideal for use for analysis of circular motion exploiting of the radial symmetry of the motion.。

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