Радиус кривизны - Radius of curvature
В дифференциальной геометрии , то радиус кривизны , R , является обратной величиной кривизны . Для кривой , он равен радиусу от круговой дуги , который наилучшим образом аппроксимирующей кривой в этой точке. Для поверхностей радиус кривизны - это радиус круга, который лучше всего подходит для нормального сечения или их комбинаций .
Определение
В случае пространственной кривой радиус кривизны - это длина вектора кривизны .
В случае плоской кривой , то R является абсолютное значение из
где s - длина дуги от фиксированной точки на кривой, φ - тангенциальный угол, а κ - кривизна .
Формула
В 2D
Если кривая задана в декартовых координатах как y ( x ) , то радиус кривизны равен (при условии, что кривая дифференцируема до порядка 2):
и | z | обозначает абсолютное значение z .
Если кривая задается параметрически функциями x ( t ) и y ( t ) , то радиус кривизны равен
Эвристически этот результат можно интерпретировать как
В n измерениях
Если γ : ℝ → ℝ n - параметризованная кривая в ℝ n, то радиус кривизны в каждой точке кривой ρ : ℝ → ℝ определяется выражением
- .
В особом случае, если F ( т ) является функцией от ℝ к ℝ , то радиус кривизны его графа , γ ( т ) = ( т , е ( т )) , является
Вывод
Пусть γ такое же , как указано выше, и зафиксируем t . Мы хотим найти радиус ρ параметризованного круга, который соответствует γ в его нулевой, первой и второй производных в точке t . Ясно, что радиус не будет зависеть от положения γ ( t ) , только от скорости γ ′ ( t ) и ускорения γ ″ ( t ) . Есть только три независимых скаляра, которые могут быть получены из двух векторов v и w , а именно v · v , v · w и w · w . Таким образом, радиус кривизны должен быть функцией трех скаляров | γ ′ ( t ) | 2 , | γ ″ ( t ) | 2 и γ ′ ( t ) · γ ″ ( t ) .
Общее уравнение для параметризованной окружности в ℝ n имеет вид
где c ∈ ℝ n - центр окружности (не имеет значения, поскольку он исчезает в производных), a , b ∈ ℝ n - перпендикулярные векторы длины ρ (то есть a · a = b · b = ρ 2и a · b = 0 ), а h : ℝ → ℝ - произвольная функция, дважды дифференцируемая в точке t .
Соответствующие производные от g оказываются
Если теперь приравнять эти производные от g к соответствующим производным от γ в точке t, получим
Эти три уравнения с тремя неизвестными ( ρ , h ′ ( t ) и h ″ ( t ) ) могут быть решены относительно ρ , давая формулу для радиуса кривизны:
или, опуская параметр t для удобства чтения,
Примеры
Полукруги и круги
Для полукруга радиуса а в верхней полуплоскости
Для полукруга радиуса а в нижней полуплоскости
Окружности радиуса а имеет радиус кривизны , равным .
Эллипсы
В эллипса с большой осью 2 а и малой осью 2 б , то вершины на главной оси имеют наименьший радиус кривизны любых точек, R = б 2/а; а вершины на малой оси имеют наибольший радиус кривизны из всех точек, R =а 2/б.
Радиус кривизны эллипса как функция θ
Приложения
- Для использования в дифференциальной геометрии см. Уравнение Чезаро .
- Для радиуса кривизны Земли (аппроксимировать сплющенный эллипсоид); см. также: измерение дуги
- Радиус кривизны также используется в уравнении из трех частей для изгиба балок .
- Радиус кривизны (оптика)
- Тонкопленочные технологии
- Печатная электроника
- Минимальный радиус поворота железной дороги
Напряжение в полупроводниковых структурах
Напряжение в полупроводниковой структуре с участием тонких напыленных пленок обычно возникает в результате теплового расширения (термического напряжения) в процессе производства. Термическое напряжение возникает из-за того, что осаждение пленки обычно производится при температуре выше комнатной. При охлаждении от температуры осаждения до комнатной температуры разница в коэффициентах теплового расширения подложки и пленки вызывает термическое напряжение.
Собственное напряжение возникает из-за микроструктуры, создаваемой в пленке, когда атомы осаждаются на подложке. Напряжение растяжения возникает из-за микропустот (небольших отверстий, которые считаются дефектами) в тонкой пленке из-за притягивающего взаимодействия атомов через пустоты.
Напряжение в тонкопленочных полупроводниковых структурах приводит к короблению пластин. Радиус кривизны напряженной конструкции связан с тензором напряжений в конструкции и может быть описан модифицированной формулой Стони . Топография напряженной конструкции, включая радиусы кривизны, может быть измерена с помощью методов оптического сканирования. Современные сканеры имеют возможность измерять полную топографию подложки и измерять оба главных радиуса кривизны, обеспечивая при этом точность порядка 0,1% для радиусов кривизны 90 метров и более.
Смотрите также
- Зонд АСМ
- Радиус базовой кривой
- Радиус изгиба
- Изгиб
- Кривизна
- Степень кривизны (гражданское строительство)
- Диаметр
- Оскулирующий круг
- Обратная кривая
- Кривая перехода трека
- Кривая перехода
использованная литература
дальнейшее чтение
- ду Карму, Манфредо (1976). Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей . ISBN 0-13-212589-7.