
2.3. Sfericheskaya sistema koordinat
Dlya resheniya mnogih zadach okazyvaetsya udobnee vmesto dekartovoi
sistemy ispol'zovat' krivolineinye sistemy koordinat. V obshem
sluchae ispol'zuyutsya tri funkcii
,
,
dlya opredeleniya polozheniya tela v prostranstve.
Koordinatnaya setka sostoit iz peresekayushihsya krivyh
vmesto setki pryamyh linii
v
dekartovoi sisteme. Esli funkcii vybrany podhodyashim obrazom, to
polozhenie ob'ekta mozhet byt' odnoznachno opredeleno s
pomosh'yu krivolineinyh koordinat
vmesto dekartovyh
koordinat
.
K takim sistemam otnositsya i sfericheskaya sistema
koordinat, shiroko
ispol'zuemaya ne tol'ko v astronomii, no i drugih naukah.
Sfericheskie koordinaty (sm. ris. 2.5): --
radius-vektor ob'ekta,
-- polyarnoe
rasstoyanie, kotoroe inogda nazyvayut
koshirotoi, i
-- dolgota svyazany s dekartovymi koordinatami
uravneniyami:
Polyarnoe rasstoyanie izmenyaetsya ot




Sistema uravnenii (2.20) predstavlyaet preobrazovanie mezhdu
sfericheskoi i dekartovoi sistemami koordinat. Sledovatel'no,
funkcii
ravny:
![]() |
![]() |
|
![]() |
![]() |
|
![]() |
![]() |
Vernemsya k ris. 2.5. Cherez proizvol'no vybrannye tochki
i
provedem bol'shoi krug. Polyusy oboznachim kak
i
.
Provedem teper' cherez polyusy i tochku
bol'shoi krug (analogichno
provedem bol'shoi krug cherez tochku
). Oboznachim cherez
central'nyi ugol mezhdu napravleniem na tochku
i napravleniem na
proizvol'nuyu tochku
, lezhashuyu na sfere v ploskosti bol'shogo
kruga
. Provedem cherez tochku
ploskost',
parallel'nuyu bol'shomu krugu
. Poluchennaya ploskost' yavlyaetsya
malym krugom, i radius
okruzhnosti raven, esli
:
Vvedem dekartovu sistemu koordinat: os' napravim vdol' radiusa
, os'
-- vdol' radiusa
. Oboznachim edinichnye vektory
osei
i
kak
i
, sootvetstvenno. Napravlenie
osi
zadadim edinichnym vektorom
soglasno uravneniyu:
Vektornoe proizvedenie (2.22) vektorov



Oboznachim cherez dvugrannyi ugol mezhdu ploskostyami
i
. Chisla
nazyvayutsya
sfericheskimi koordinatami tochki
. Pri
dostatochno
znat' dve koordinaty
dlya opredeleniya polozheniya
tochki na sfere. V sleduyushei glave budut opredeleny razlichnye
sistemy sfericheskih koordinat. V kazhdoi iz nih koordinaty
imeyut raznye nazvaniya i mogut oboznachat'sya drugimi
bukvami.
Pust' tochka lezhit na sfere i yavlyaetsya tochkoi peresecheniya
bol'shogo kruga
i malogo kruga
(ris. 2.5). Naidem dlinu dugi
. Tak kak
central'nyi ugol
raven
, to
Rassmotrim bolee podrobno vopros preobrazovaniya koordinat vektora v krivolineinyh koordinatah.
V krivolineinoi sisteme koordinat v otlichie ot dekartovoi
vozmozhny dva sposoba vybora bazisnoi troiki vektorov: 1) bazisnye
vektory yavlyayutsya kasatel'nymi v tochke
k krivym
,
,
; oboznachim ih kak
,
,
i 2) bazisnye vektory
perpendikulyarny v tochke
k poverhnostyam,
zadavaemym funkciyami
, t.e.
,
,
; oboznachim ih kak
,
,
. Eshe odnim otlichiem ot
dekartovoi sistemy yavlyaetsya to, chto napravlenie, a takzhe dlina
bazisnyh vektorov mozhet razlichat'sya v raznyh tochkah prostranstva.
V sluchae sfericheskih koordinat poverhnost', zadavaemaya uravneniem
, est' sfera radiusa
, uravnenie
opredelyaet malyi krug, a
-- ploskost' meridiana. Peresecheniya
etih ploskostei so sferoi yavlyayutsya okruzhnostyami. Tak kak krivye
,
,
takzhe yavlyayutsya
okruzhnostyami, to v sluchae sfericheskih koordinat obe bazisnye
troiki sovpadayut. V obshem sluchae eto ne tak.
Dva vybora bazisnyh troek dayut vozmozhnost' naiti proekcii vektora
kak na osi
,
,
,
tak i na osi
,
,
:

indeksy summirovaniya mogut oboznachat'sya lyubymi bukvami.
Chisla
nazyvayutsya
kontravariantnymi, a
--
kovariantnymi proekciyami
vektora
.
Dlya bazisnyh vektorov
spravedlivy
sootnosheniya:
Simvol

Skalyarnoe proizvedenie v krivolineinyh koordinatah zapisyvaetsya v vide









Dlya togo, chtoby poluchit' yavnoe vyrazhenie kovariantnyh i
kontravariantnyh koordinat vektora, umnozhim skalyarno pervoe iz
uravnenii (2.24) na
, a vtoroe -- na
. Uchityvaya opredelenie (2.25), naidem:
![]() |
![]() |
|
![]() |
![]() |
Znachit,
Ispol'zuya formuly (2.26), perepishem (2.24) v vide:
Sootnosheniya spravedlivy dlya lyubogo vektora
. Esli vmesto
v (2.27) podstavit' bazisnye vektory, to poluchim:
Vvodya oboznacheniya
perepishem sootnosheniya (2.28) takim obrazom:
Dlya postroeniya bazisnoi troiki
po vektoram
neobhodimo znat' matricu s elementami
; i,
naoborot, dlya postroeniya bazisa
po bazisu
-- matricu s elementami
. Eti matricy
vzaimno obratny, t.e.

Velichiny i
nazyvayutsya komponentami dvazhdy
kontravariantnogo i kovariantnogo metricheskogo
tenzora, sootvetstvenno.
Chto iz sebya predstavlyaet tenzor v matematike? Kak my videli, zadanie bazisnoi troiki opredelyaet sistemu koordinat, v kotoroi mozhno naiti koordinaty proizvol'nyh vektorov, t.e. ih proekcii na bazisnye vektory. No tak kak pri perehode v druguyu tochku prostranstva napravlenie i velichina bazisnyh vektorov mozhet menyat'sya, to neobhodimo reshit' zadachu o preobrazovanii proekcii proizvol'nyh vektorov iz odnoi bazisnoi troiki v druguyu. Eta zadacha reshaetsya metodami tenzornogo analiza. Tenzory predstavlyayut soboi sistemu velichin, preobrazuyushihsya po lineinomu zakonu pri perehode ot odnoi sistemy koordinat k drugoi. Sootnosheniya, zapisannye v tenzornoi forme, sohranyayut svoyu formu v lyuboi koordinatnoi sisteme.
Naidem teper' rasstoyanie
mezhdu dvumya beskonechno
blizkimi tochkami prostranstva. Dekartovy koordinaty vektora
ravny
. Dlya etogo, schitaya
v
formulah (2.20) funkciyami peremennyh
naidem
differencialy
,
,
. Po pravilu vychisleniya
differencialov funkcii mnogih peremennyh, snachala fiksiruem
peremennye
i nahodim izmenenie funkcii (chastnuyu
proizvodnuyu
) v zavisimosti ot prirasheniya
,
zatem fiksiruem peremennye
i
i nahodim izmenenie
funkcii v zavisimosti ot prirasheniya
, i nakonec pri
postoyannyh
i
nahodim chastnuyu proizvodnuyu
. V rezul'tate poluchim:
Po opredeleniyu chastnye proizvodnye
i dr. yavlyayutsya kasatel'nymi k
funkciyam
, t.e. predstavlyayut soboi komponenty bazisnyh
vektorov
,
,
vdol'
napravlenii
:



Sledovatel'no, differencial funkcii yavlyaetsya kontravariantnym
vektorom. Pereoboznachiv beskonechno malye prirasheniya kak
,
,
, naidem kvadrat rasstoyaniya
mezhdu dvumya beskonechno blizkimi tochkami, kotoryi ravnyaetsya v
dekartovoi sisteme koordinat
V bolee obshem vide s uchetom pravila summirovaniya vyrazhenie dlya kvadrata rasstoyaniya mezhdu dvumya tochkami prostranstva zapisyvaetsya v vide:
gde

Vybor toi ili inoi sistemy koordinat daet vozmozhnost' opredelit' polozhenie tela v prostranstve i uprostit' uravneniya dvizheniya tela, no ne opredelyaet svoistva samogo prostranstva. Zadanie metriki sovmestno s opredeleniem sistemy koordinat polnost'yu opisyvaet prostranstvo. Eto oznachaet, chto, znaya metricheskii tenzor, mozhno vychislit' rasstoyanie mezhdu dvumya tochkami. V sluchae evklidova prostranstva, kotoroe nazyvaetsya ploskim, rasstoyanie nahoditsya po formule (2.32) i metricheskii tenzor raven
V sluchae ploskogo prostranstva metricheskii tenzor




Esli prostranstvo ne yavlyaetsya ploskim, to dlya vychisleniya rasstoyanii uzhe nel'zya ispol'zovat' zakon Pifagora (2.32). V chastnosti, pri vychisleniyah na sfere (v krivom prostranstve) dlina dugi mezhdu dvumya tochkami ne ravna dline hordy (rasstoyaniyu v ploskom prostranstve).
Kvadrat elementa dliny v sfericheskoi sisteme koordinat legko
naiti, vychisliv chastnye proizvodnye
i t.d. i podstaviv ih
v (2.32). Ispol'zuya uravneniya (2.20), nahodim, chto
,
i t.d. V rezul'tate
posle privedeniya podobnyh chlenov poluchim, chto





Takim obrazom, svoistva geometrii v krivolineinoi sisteme
koordinat opredelyayutsya komponentami metricheskogo
tenzora. V dal'neishem my budem rassmatrivat' chetyrehmernoe
prostranstvo-vremya dlya vychisleniya effektov teorii otnositel'nosti
(izmeneniya hoda chasov, nahodyashihsya v gravitacionnom pole,
otkloneniya lucha sveta). V chetyrehmernom prostranstve-vremeni
imeetsya, sledovatel'no, 16 komponent tenzora, iz nih tol'ko 10
razlichny iz-za simmetrichnosti tenzora (chetyre s odinakovymi
indeksami i
s razlichnymi indeksami).
<< 2.2. Skalyary, vektory, tenzory | Oglavlenie | 2.4. Osnovnye formuly sfericheskoi >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni
Publikacii so slovami: astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |