28 Dec

矩阵描述三维空间旋转

本节简单介绍用矩阵来描述旋转。在二维平面上,复数无疑是描述旋转的最佳工具;然而推广到三维空间中,却要动用到“四元数”了。为了证明四元数的相关结论,我们需要三维旋转的矩阵描述。最一般的旋转运动为:绕某一根轴旋转$\theta$角度。这样我们就需要三个参数来描述它:确定一根轴至少需要两个参数,确定角度需要一个参数。因此,如果要用“数”来描述三维空间的伸缩和旋转的话,“三元数”显然是不够的,完成这一目的至少需要四元数。这也从另外一个角度反映了三元数的不存在性。

矩阵方法
首先我们认识到,如果旋转轴是坐标轴之一,那么旋转矩阵将是最简单的,比如向量$\mathbf{x}=(x_0,y_0,z_0)^{T}$绕$z$轴逆时针旋转$\theta$角后的坐标就可以描述为
$$\begin{equation}
\mathbf{R}_{\theta}\mathbf{x}\end{equation}$$

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20 Jul

洗手盆里的学问

农村的孩子免不了常做家务,当然我家也没有什么特别沉重的家务,通常都是扫地、做饭、洗菜这些简单的活儿。说到洗菜,洗完菜后总喜欢边放水边搅水,然后就在水面上形成一个颇为有趣的漩涡。现在我们从数学物理的角度来分析一下这个漩涡。

在讲洗手盆的漩涡之前,我们先来看一下一个比较类似的、更古老的问题——牛顿的旋转液面问题。牛顿假设有一个水桶(假设为圆柱形吧,但这不重要),水桶在绕自己的中轴线匀角速度旋转,直到桶内的水也随着匀角速度旋转(即水与水桶相对静止),此时水的液面形状是凹的,我们来看看该液面的形状。

牛顿的水桶

要分析形状,我们还要回顾之前提到过的流体静力学平衡:
http://kexue.fm/archives/1964/

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5 Apr

重提“旋转弹簧伸长”问题(变分解法)

感谢Awank-Newton读者的来信,本文于2013.01.30作了修正,主要是弹性势能的正负号问题。之前连续犯了两个错误,导致得出了正确答案。现在已经修正。参考《平衡态公理的修正与思考》

在下面的两篇文章中,BoJone已经介绍了这个“旋转弹簧伸长”的问题,并从两个角度提供了两种解答方法。前者列出了一道积分方程,然后再转变为微分方程来解;后者直接从弹性力学的角度来列出一道二阶微分方程,两者殊途同归。
http://kexue.fm/archives/782/
http://kexue.fm/archives/826/

今天,再经过一段时间的变分法涉猎后,BoJone尝试从变分的角度(总能量最小)来给出一种新的解法。同样设r为旋转达到平衡后弹簧上一点到旋转中心的距离,该点的线密度为$\lambda =\lambda (r)$,该点到中心的弹簧质量为$m=m(r)$,旋转前的长度为$l_0$,旋转平衡后的长度为$l_1$。由于弹簧旋转后已经达到了平衡状态,由平衡态公理(参看《自然极值》系列),平衡意味着总能量“动能-势能”取极值。

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23 Aug

《向量》系列——4.天旋地转(向量,复数,极坐标)

坐标旋转.PNG
如图,坐标(x,y)绕点(p,q)逆时针旋转θ角后得到坐标(x',y'),求x',y'关于x,y的表达式。

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7 Aug

旋转的弹簧将如何伸长(2)?

弹簧.jpg上一次我从密度的角度讨论了旋转的弹簧伸长的问题,由于对弹性形变等问题是初涉,所以花了好大功夫。这几天重新认识了一下胡克定律,并且从另外的角度给出了这道题目的一个相对简单的解法。在此把它记录下来,并写写我对弹性形变的一些粗浅看法。

在解答的过程中,我再次体验到了殊途同归的感觉,科学就是这样的奇妙,一个目的地往往有着不止一条道路,不同的道路会给我们不同的科学视觉,最终领略到不同的科学美景;多走几条路,更能够让我们从不同的角度领略美不胜收的科学,这也是众多旅游爱好者不辞千里地观赏美景的原因!

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30 Jul

旋转的弹簧将如何伸长?

旋转的弹簧.PNG

一根均匀的弹簧长度l

0

,线密度λ

0

,劲度系数k,总质量M。现在没有重力的环境下,绕其一端作角速度ω的旋转(角速度恒定),则此时其长度变为多少?

这是网友“宇宙为家”在几天前提出的问题。期间我曾做过多次解答,犯了若干次错误,经过修修补补,得出了最后的答案,在此感谢“宇宙为家”朋友的多次提醒。如果下面的答案依旧有错误,望各位读者发现并指出。

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26 Jul

问世间质心(重心)知多少

均匀大圆挖去小圆后,求质心(重心).PNG

不论在数学题目上,或者是物理应用中,我们总能够看到类似的题目:求一个规则物体挖去(或增加)一个规则物体后,其剩下部分的质心(重心)。

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9 Feb

函数图像旋转公式(“想当然”的教训)

阅读小提示:亲爱的读者,你可以选择不读这篇文章,但如果你选择了阅读,请一定要阅读完。BoJone对“半途而废”所造成的后果一概不负责任^_^。

函数图像旋转.PNG

我们来考虑下一个旋转问题:将某一函数图像y=f(x),绕点(p,q)逆时针旋转了θ角之后,得到的图象的解析式。

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