구좌표계에서 속도와 가속도

구좌표계에서 속도와 가속도

구좌표계에서 속도와 가속도

$$ \begin{align*} \mathbf{v} &=\dot{r} \hat {\mathbf{r}} +r \dot{\theta} \hat{ \boldsymbol{\theta}}+ r \dot{\phi} \sin{\theta} \hat{ \boldsymbol{\phi}} \\ \mathbf{a} &= (\ddot{r}-r\dot\theta^2-r\dot\phi^2\sin^2\theta)\hat{\mathbf{r}}+(r\ddot\theta+2\dot{r}\dot\theta-r\dot\phi^2\sin\theta\cos\theta)\hat{\boldsymbol{\theta}} \\ &\quad+(r\ddot\phi\sin\theta+2\dot{r}\dot\phi\sin\theta+2r\dot\theta\dot\phi\cos\theta)\hat{\boldsymbol{\phi}} \end{align*} $$

유도

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구면좌표계에서 단위 벡터는 아래와 같다.

$$ \begin{align*} \hat{\mathbf{r}} &= \cos \phi \sin \theta \hat{\mathbf{x}} + \sin \phi \sin \theta \hat{\mathbf{y}} + \cos\theta\hat{\mathbf{z}} \\ \hat{\boldsymbol{\theta}} &= \cos\phi \cos\theta \hat{\mathbf{x}} + \sin\phi \cos\theta \hat{\mathbf{y}} - \sin\theta\hat{\mathbf{z}} \\ \hat{\boldsymbol{\phi}} &= -\sin\phi \hat{\mathbf{x}} + \cos\phi \hat{\mathbf{y}} \end{align*} $$

이제 구면좌표계에서 속도와 가속도를 차례로 구해보자. 속도는 위치를 시간에 대해 미분해서, 가속도는 속도를 시간에 대해 미분해서 구할 수 있다. 참고로 $\dot{r}$은 [알 돗(도트)]이라고 읽는다. 물리학에서 문자 위의 점은 시간에 대한 미분이라는 뜻이다.

$$ \dot{r}=\frac{dr}{dt} $$

속도와 가속도를 구하기 전 단위벡터의 미분을 미리 구해놓자. $\dot{\hat{ \mathbf{r}}}$, $\dot {\hat{ \boldsymbol{\theta}}}$, $\dot {\hat{ \boldsymbol{\phi}}}$를 계산하면 각각 다음과 같다.

$$ \begin{align*} \dot{\hat{ \mathbf{r}}} &= \frac{d}{dt}(\cos\phi\sin\theta\hat{\mathbf{x}} +\sin\phi\sin\theta\hat{\mathbf{y}}+\cos\theta\hat{\mathbf{z}} ) \\ &= \frac{d\cos\phi}{dt}\sin\theta\hat{\mathbf{x}} + \cos\phi\frac{d \sin\theta}{dt}\hat{\mathbf{x}}+\frac{d \sin\phi}{dt}\sin\theta\hat{\mathbf{y}} + \sin\phi\frac{d\sin\theta}{dt}\hat{\mathbf{y}}+\frac{d \cos\theta}{dt}\hat{\mathbf{z}} \\ &= \frac{d\cos\phi}{d\phi}\frac{d\phi}{dt}\sin\theta\hat{\mathbf{x}} + \cos\phi\frac{d \sin\theta}{d\theta}\frac{d\theta}{dt}\hat{\mathbf{x}} \\ &\quad +\frac{d \sin\phi}{d\phi}\frac{d\phi}{dt}\sin\theta\hat{\mathbf{y}} + \sin\phi\frac{d\sin\theta}{d\theta}\frac{d\theta}{dt}\hat{\mathbf{y}}+ \frac{d \cos\theta}{d\theta}\frac{d\theta}{dt}\hat{\mathbf{z}} \\ &= -\dot\phi\sin\phi \sin\theta\hat{\mathbf{x}} + \dot\theta\cos\phi\cos\theta\hat{\mathbf{x}}+\dot\phi\cos\phi \sin\theta\hat{\mathbf{y}} + \dot\theta\sin\phi\cos\theta\hat{\mathbf{y}}-\dot\theta\sin\theta\hat{\mathbf{z}} \\ &= \dot{\theta}(\cos\phi\cos\theta\hat{\mathbf{x}} + \sin\phi\cos\theta\hat{\mathbf{y}} -\sin\theta \hat{\mathbf{z}}) + \dot{\phi}\sin\theta(-\sin\phi\hat{\mathbf{x}}+\cos\phi\hat{\mathbf{y}}) \\ &= \dot{\theta} \hat{ \boldsymbol{\theta} } + \dot{\phi} \sin\theta \hat{ \boldsymbol{\phi}} \end{align*} $$

$$ \begin{align*} \dot {\hat{ \boldsymbol{\theta}}} &= \frac{d}{dt}(\cos\phi\cos\theta\hat{\mathbf{x}} + \sin\phi\cos\theta\hat{\mathbf{y}} -\sin\theta \hat{\mathbf{z}}) \\ &= -\dot{\phi}\sin\phi\cos\theta\hat{\mathbf{x}}-\dot\theta\cos\phi\sin\theta\hat{\mathbf{x}}+\dot{\phi} \cos\phi \cos\theta \hat{\mathbf{y}}-\dot{\theta} \sin\phi \sin\theta \hat{\mathbf{y}}-\dot\theta\cos\theta\hat{\mathbf{z}} \\ &= -\dot\theta(\cos\phi\sin\theta\hat{\mathbf{x}}+\sin\phi\sin\theta \hat{\mathbf{y}} + \cos\theta\hat{\mathbf{z}}) + \dot{\phi}\cos\theta(-\sin\phi\hat{\mathbf{x}}+\cos\phi\hat{\mathbf{y}}) \\ &= - \dot{\theta} \hat{ \mathbf{r}} + \dot{\phi} \cos \theta \hat {\boldsymbol{\phi}} \end{align*} $$

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \dot {\hat{ \boldsymbol{\phi}}} &= \frac{d}{dt}(-\sin\phi\hat{\mathbf{x}}+\cos\phi\hat{\mathbf{y}}) \\ &= -\dot\phi\cos\phi\hat{\mathbf{x}}-\dot\phi\sin\phi\hat{\mathbf{y}} \\ &= -\dot\phi(\cos\phi\hat{\mathbf{x}} + \sin\phi\hat{\mathbf{y}}) \end{aligned} \end{equation} $$

$\dot {\hat{\boldsymbol{\phi}}}$의 결과는 다른 성분과 달리 $\hat{\mathbf{r}}$과 $\hat{\boldsymbol{\theta}}$로 바로 정리되지 않는다. 여기서 잘 보면 $\hat{\mathbf{z}}$성분이 없다는 것을 알 수 있다. $\hat{\mathbf{r}}$에 $\sin\theta$를 곱하고 $\hat{\boldsymbol{\theta}}$에 $\cos\theta$를 곱해서 둘을 더해주면 $\hat{\mathbf{z}}$성분이 없어진다. 이를 이용하자.

$$ \begin{align*} \ \sin\theta\hat{\mathbf{r}}+\cos\theta \hat{\boldsymbol{\theta}} &= \cos\phi\sin^2\theta\hat{\mathbf{x}}+\sin\phi\sin^2\theta\hat{\mathbf{y}}+\sin\theta\cos\theta \hat{\mathbf{z}} \\ &\quad + \cos\phi\cos^2\theta\hat{\mathbf{x}} +\sin\phi\cos^2\theta\hat{\mathbf{y}} -\sin\theta\cos\theta \hat{\mathbf{z}} \\ &= \cos\phi(\sin^2\theta+\cos^2\theta)\hat{\mathbf{x}}+\sin\phi(\sin^2\theta+\cos^2\theta)\hat{\mathbf{y}} \\ &= \cos\phi\hat{\mathbf{x}}+\sin\phi\hat{\mathbf{y}} \end{align*} $$

위 식을 $(1)$에 대입하면 다음과 같다.

$$ \dot{\hat{\boldsymbol{\phi}}}=-\dot\phi\sin\theta\hat{\mathbf{r}} - \dot\phi\cos\theta \hat{\boldsymbol{\theta}} $$

속도

$\mathbf{r}$을 $t$로 미분하면 다음과 같다.

$$ \begin{align*} \mathbf{v} = \frac{d \mathbf{r}}{dt} = \frac{d}{dt}(r \hat{\mathbf{r}}) = \frac{d r}{dt}\hat{\mathbf{r}} + r\frac{d \hat{\mathbf{r}}}{dt} &= \dot{r} \hat{\mathbf{r}} + r \dot{\hat{\mathbf{r}}} \\ &= \dot{r} \hat{\mathbf{r}} + r\dot{\theta} \hat{ \boldsymbol{\theta} } + r\dot{\phi} \sin\theta \hat{ \boldsymbol{\phi}} \end{align*} $$

미리 계산해놓은 단위벡터의 미분을 대입해주기만 하면 얻을 수 있다

가속도

$\mathbf{v}$를 $t$로 미분하면 다음과 같다.

$$ \begin{align*} \mathbf{a} = \frac{d \mathbf{v}}{dt} &= \frac{d}{dt}(\dot{r} \hat{\mathbf{r}} +r\dot\theta\hat{\boldsymbol{\theta}}+ r\dot\phi\sin\theta \hat{\boldsymbol{\phi}}) \\ &= (\ddot r \hat{\mathbf{r}} + \dot{r} \dot{\hat{\mathbf{r}}}) + (\dot{r}\dot\theta\hat{\boldsymbol{\theta}} + r\ddot\theta\hat{\boldsymbol{\theta}} + r\dot\theta\dot{\hat{\boldsymbol{\theta}}}) \\ &\quad + (\dot{r} \dot\phi\sin\theta \hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\ddot\phi\sin\theta\hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\dot\phi\dot\theta\cos\theta\hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\dot\phi\sin\theta\dot{\hat{\boldsymbol{\phi}}}) \end{align*} $$

엄청 길다. 차근차근 풀어보자. 단위벡터의 미분은 위에서 구해놨으니 대입해서 정리하면 끝이다.

$$ \begin{align*} \mathbf{a} &= \left[ \ddot r \hat{\mathbf{r}} + \dot{r} (\dot{\theta} \hat{\boldsymbol{\theta}} + \dot{\phi} \sin\theta \hat{\boldsymbol{\phi}}) \right] + \left[ \dot{r}\dot\theta\hat{\boldsymbol{\theta}}+ r\ddot\theta\hat{\boldsymbol{\theta}}+r\dot\theta( -\dot{\theta} \hat{\mathbf{r}} + \dot{\phi} \cos \theta \hat{\boldsymbol{\phi}}) \right] \\ &\quad + \left[ \dot{r} \dot\phi\sin\theta\hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\ddot\phi\sin\theta\hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\dot\phi\dot\theta\cos\theta\hat{\boldsymbol{\phi}}+ r\dot\phi\sin\theta(-\dot\phi\sin\theta\hat{\mathbf{r}} - \dot\phi\cos\theta\hat{\boldsymbol{\theta}}) \right] \\ &= (\ddot{r}-r\dot\theta^2-r\dot\phi^2\sin^2\theta)\hat{\mathbf{r}}+(r\ddot\theta+2\dot{r}\dot\theta-r\dot\phi^2\sin\theta\cos\theta)\hat{\boldsymbol{\theta}} \\ &\quad +(r\ddot\phi\sin\theta+2\dot{r}\dot\phi\sin\theta+2r\dot\theta\dot\phi\cos\theta)\hat{\boldsymbol{\phi}} \end{align*} $$

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