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單位矢量
鎖定
- 中文名
- 單位矢量
- 外文名
- unit vector
- 應用領域
- 物理學
- 特 點
- 有大小有方向且模為一
目錄
單位矢量單位矢量的引入
如果質點沿着平面曲線C 運動,可以把加速度矢量a 分解為沿着軌道切線方向以及法線方向的兩個分量。設曲線C 上某一點為弧長座標s 的原點O,沿軌道切線一方向運動時,軌道弧長s 增加,沿軌道切線另一方向運動時,軌道弧長s 減小。i 為沿軌道切線方向並指向軌道弧長s 增加的方向上的單位矢量, j 為沿軌道法向並指向曲線凹側的單位矢量,θ 為軌道前進的切線方向和x 軸之間的夾角,如圖一所示。i 、j 和dθ之間滿足下列關係式
弧長減小時,ds < 0。於是
故
質點沿曲線C 運動的切向和法向加速度分量分別為:
此式又稱為內稟方程。
單位矢量自然座標系單位矢量的新認識
在採用自然座標系描述質點的平面曲線運動時,把加速度矢量a 分解為沿着軌道的切線以及法線方向兩個分量。其中,法線加速度的方向一定指向曲線在該點的凹側法線方向,這是由於質點法線方向受力的作用只改變質點速度的方向,而不改變質點速度的大小。在曲線的拐點處,法線加速度的大小為零。因此,法線方向的單位矢量
可以規定為沿軌道法向並指向曲線凹側。對於沿軌道切線方向的單位矢量i ,我們將證明其方向可以任意規定。單位矢量i 正向的選取不會影響加速度矢量
在自然座標系中的表達形式,即沿軌道切線方向不論怎麼選取單位矢量的正向,加速度矢量
在自然座標系中的表達形式都如公式(2)所示。我們考慮質點沿着正弦曲線運動的情況,
如圖二和圖三所示。正弦曲線中既有凸的部分,也有凹的部分,同時還存在拐點。弧長座標s 、單位矢量i 和j 的定義同上,θ 仍為軌道單位矢量i 的正向和x 軸之間的夾角。圖二 和圖三分別是沿軌道切線單位矢量i 正向選取的兩種情況。
單位矢量單位矢量正向的選取
單位矢量自然座標系
理論力學中對沿曲線運動的質點, 常把其加速度矢量a 分解為沿軌道的切線方向和法線方向的兩個分量:
.如果把軌道的切線和法線也作為座標系來看,則叫自然座標系。
單位矢量選取方法
切向座標軸正向
的選取:沿軌道曲線的切線,並指向弧座標的正方向。
注意:
( 1) 對於任意給定的光滑平面軌道曲線( 設曲線無拐點, 否則可分段考慮),
在各點是唯一確定的,
沿曲線是逐點連續變化的。
(2) 自然系正法向單位矢禪的方向與曲線的正法向( 指向曲率中心), 沿曲線各點處處相同。
( 3) 不僅保持
兩式恆成立, 而且又有
恆成立,