Lengte van kromme in bolcoördinaten

Moderators: dirkwb, Xilvo

Reageer
Gebruikersavatar
Berichten: 2.242

Lengte van kromme in bolco

Even opfrissen. Hoe toon ik aan dat een kromme die in bolcoördinaten gegeven wordt door
\(r = r(t), \ \ \theta = \theta (t), \ \ \varphi = \varphi (t), \ \ a \leq t \leq b\)
een lengte heeft gelijk aan
\(\ell = \int\limits^b_a \sqrt{ \left( \frac{dr}{dt} \right)^2 + r^2 \sin^2 \theta \left( \frac{d \varphi}{dt} \right)^2 + \rho^2 \left( \frac{d \theta}{dt} \right)^2}dt\)

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lengte van kromme in bolco

Misschien zijn er handige, leuke (kortere) meetkundige manieren om hieraan te komen, maar die ken ik niet direct uit m'n hoofd en kan ik ook niet zo verzinnen. Wat in elk geval werkt, maar zeker geen leuk rekenwerk is (wél veel...), is het gewoon uitrekenen.

Het lijnelement in cartesische vorm is: ds² = dx²+dy²+dz²

En je hebt de transformatieformules naar bolcoördinaten...
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 3.330

Re: Lengte van kromme in bolco

Er is zoals TD zegt veel rekenwerk voor nodig. Ik probeer het verloop aan te geven.
\(\left\{\begin{array}{lcl}x=r\sin{\theta}\cos{\phi}\\y=r\sin{\theta}\sin{\phi}\\z=r\cos{\theta}\end{array}\right\)
\(0<\theta<\pi\mbox{ en }0<\phi<2\pi\)
Plaatsvector:
\(\vec{r}=xi+yj+zk\)
\(d\vec{r}=\frac{\partial{\vec{r}}}{\partial{r}}i+\mbox{zelfde \phi \ en\ \theta}\)
\(ds^2=d\vec{r}d\vec{r}=(dr)^2+r^2(d\theta)^2+r^2\sin^2{\theta}(d\phi)^2\)
. Na veel rekenwerk.
\(ds=\sqrt{(\frac{dr}{dt})^2+r^2\(\frac{(d\theta}{dt})^2+r^2\sin^2{\theta}(\frac{d\phi}{dt})^2}\mbox{dt}\)
En nu efkens integreren :D
Volgens mijn verstand kan er niets bestaan en toch bestaat dit alles?

Gebruikersavatar
Berichten: 2.242

Re: Lengte van kromme in bolco

Bedankt!
kotje schreef:
\(ds=\sqrt{(\frac{dr}{dt})^2+r^2\(\frac{(d\theta}{dt})^2+r^2\sin^2{\theta}(\frac{d\phi}{dt})^2}\mbox{dt}\)
En nu efkens integreren :D
Hoezo? In mijn vraag staat toch ook nog een integraal.

Gebruikersavatar
Berichten: 3.330

Re: Lengte van kromme in bolco

Omdat de integraal over t'algemeen moeilijk zal zijn.

Ik heb wel een fout gemaakt in mijn afleiding er moet staan:
\(d\vec{r}=\frac{\partial{\vec{r}}}{\partial{r}}\mbox{dr}+....\mbox{termen in\ \theta,\phi}\)
Daarna termen in i,j,k samennemen en scalair produkt nemen van
\(d\vec{r}d\vec{r}\)
om
\(ds^2\)
te krijgen, hier komt er veel rekenwerk.
Volgens mijn verstand kan er niets bestaan en toch bestaat dit alles?

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lengte van kromme in bolco

Bedankt!
Heb je het helemaal uitgerekend? Mooi als je het juiste resultaat vindt :D
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Berichten: 7.068

Re: Lengte van kromme in bolco

Heb je het helemaal uitgerekend?
Met iets als Maxima is het toch zo uitgerekend. Je krijgt zelfs een tex output die je makkelijk weer kan posten. :D
\(r^2\left(t\right)\,\left({{d}\over{d\,t}}\,\Theta\left(t\right) \right)^2+r^2\left(t\right)\,\left({{d}\over{d\,t}}\,\Phi\left(t \right)\right)^2\,\sin ^2\Theta\left(t\right)+\left({{d}\over{d\,t}} \,r\left(t\right)\right)^2\)


Het is overigens wel veel makkelijker om het met een 'kubusje' op te lossen (die dan afmetingen \(dr\), \(r \sin \theta d\phi\) en \(r d\theta\) te hebben), waaruit direct de formule volgt.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.003

Re: Lengte van kromme in bolco

Ik probeer het even algemeen (Curvilinaire coordinaten)
\(\mathbf{r} (u,v,w)=x(u,v,w) \mathbf{i}+y(u,v,w)\mathbf{j}+z(u,v,w)\mathbf{k}\)
\(\left| \frac{\partial \mathbf{r} }{\partial u}\right| =f\)
v en w constant houden en de verandering in richting u berekenen.
\(\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial v}\right| =g\)
u en w constant houden en de verandering in richting v berekenen.
\(\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial w}\right|=h\)
u en v constant houden en de verandering in richting w berekenen.

De eenheid-raakvectoren worden dan:
\( \mathbf{u}=\frac{1}{f} \frac{\partial \mathbf{r} }{\partial u}\)
\( \mathbf{v}=\frac{1}{g} \frac{\partial \mathbf{r} }{\partial v}\)
\( \mathbf{w}=\frac{1}{h} \frac{\partial \mathbf{r} }{\partial w}\)

\(\mathbf{dr}=f du \mathbf{u} +gdv \mathbf{v} +hdw \mathbf{w}\)
Is dit het kleine kubusje waar Evilbro het over had?
\(dr=\sqrt{f^2 du^2+g^2 dv^2+h^2 dw^2}\)
I was born not knowing and have only a little time to change that here and there.

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lengte van kromme in bolco

Met iets als Maxima is het toch zo uitgerekend. Je krijgt zelfs een tex output die je makkelijk weer kan posten. :D
Met mijn programma ook, maar wie zegt dat Rov het wil/mag "laten uitrekenen"? :D
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 2.003

Re: Lengte van kromme in bolco

Hier nog even een stukje uit Introduction to Electrodynamics van D. Griffiths voor een meetkundige afleiding van de lijnelement in bolcoordinaten:
I was born not knowing and have only a little time to change that here and there.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.242

Re: Lengte van kromme in bolco

Oei, ik had over een paar posts gelezen
Heb je het helemaal uitgerekend? Mooi als je het juiste resultaat vindt 8-)
Die bedankt sloeg eerder op de aanzet die kotje gaf, ik heb nog niet de kans gehad om me er mee bezig te houden.
Met mijn programma ook, maar wie zegt dat Rov het wil/mag "laten uitrekenen"? pi.gif
Het is een oefening van een vak waarop ik geslaagd was maar waarvan ik al wat vergeten ben, ik moet het niet echt meer kennen maar zat wat te bladeren in die cursus toen ik iets aan het zoeken was. Het is een vraag uit nieuwsgierigheid.

Reageer