空间曲线的参数方程

1 空间曲线的参数方程

还可通过运动的方式来看待空间曲线。想像在空间中有一运动的点,在一段时间内,该点时刻的坐标为,或改写为的形式:

该动点运动的轨迹就是某空间曲线,如下图所示,其中的红点从原点出发,其运动轨迹就是黑色的空间曲线。该动点的坐标就是该 空间曲线的参数方程 (Parametric equation of a space curve)。

动点运动的轨迹是空间曲线

2 螺旋线
下图左侧所示的是常见的线圈弹簧,其所对应的空间曲线如下图右侧所示,该空间曲线也称为 螺旋线 。请求出螺旋线的参数方程。

线圈弹簧

空间中的螺旋线

(1)求解思路。想象某动点沿螺旋线运动,从顶视角观察,该动点进行的是旋转运动;从前视角观察,若忽略旋转,该动点进行的是上升运动,如下图所示。因此可认为动点的运动是旋转运动和上升运动的合成,而螺旋线是该动点的运动轨迹。

所以下面就分别计算这两种运动,然后再通过合成就可得螺旋线的参数方程。

        (2)计算只进行旋转运动时点的坐标。合理假设时动点位于点处,从此时刻开始,动点以角速度逆时针绕轴匀速旋转(也可作别的假设,比如设动点进行的是变角速度旋转运动,那么得到的螺旋线会有所不同),则时刻后点与轴的夹角为、与原点的距离为,如下图所示。根据三角函数,容易算出点在时刻的坐标为

时刻后点与轴的夹角为、与原点的距离为

        (3)计算只进行上升运动时点的坐标。合理假设时动点位于点处,从此时刻开始,动点以线速度沿着轴的正方向匀速上升,如下图所示。容易算出点在时刻的坐标为

        (4)通过运动合成求出螺旋线。因为旋转、上升这两种运动互不影响,所以同时进行这两种运动时,点在时刻的坐标为:

上述运动合成如下图所示,合成后点的运动轨迹就是螺旋线。

将上述合成后点在时刻的坐标进行改写,就可以得到螺旋线的参数方程:

3 螺纹线
下图左侧所示的是常见的螺丝钉,其螺纹线对应的空间曲线如下图右侧所示,请求出该螺纹线的参数方程。

螺丝钉

螺纹线

(1)求解思路。想象某动点沿螺纹线运动,如下图所示,
  • 从顶视角观察,该动点进行的是旋转运动。由于螺丝钉由下到上逐渐变粗,故该旋转运动是在逐渐变大的圆上进行的,和上面的例子有一些差别
  • 从前视角观察,若忽略上述旋转,该动点进行的是上升运动,和上面的例子完全一样

因此可认为动点的运动是旋转运动和上升运动的合成,而螺旋线是该动点的运动轨迹。

所以下面就分别计算这两种运动,然后再通过合成就可得螺旋线的参数方程。

        (2)计算只进行在逐渐变大的圆上进行旋转运动时点的坐标。合理假设时刻后点与轴的夹角为,其所在圆的半径扩大为,及此时点与原点的距离为,如下图所示(作为点的运动轨迹,下图中的圆是在不断扩大的,故这里用虚线绘出)。根据三角函数,容易算出点在时刻的坐标为

时刻后点与轴的夹角为、与原点的距离为

        (3)计算只进行上升运动时点的坐标。和上一道例题一样,合理假设时动点位于点处,从此时刻开始,动点以线速度沿着轴的正方向匀速上升,如下图所示。所以点在时刻的坐标为

        (4)通过运动合成求出螺旋线。因为旋转、上升这两种运动互不影响,所以同时进行这两种运动时,点在时刻的坐标为:

上述运动合成如下图所示,合成后点的运动轨迹就是螺纹线。

将上述合成后点在时刻的坐标进行改写,就可以得到螺纹线的参数方程:

        (5)额外的解释:顶视角中的阿基米德螺旋线。上面为了方便求解,从顶视角观察时,说动点是在逐渐变大的圆上进行旋转运动。实际上从顶视角观察时,动点的运动轨迹如下图所示,该轨迹更符合我们从上往下看时的直观感受。

上述顶视角中的平面曲线也就是介绍过的 阿基米德螺旋线 ,根据(2)中的推导,可知阿基米德螺旋线的参数方程为:

关注马同学
马同学高等数学
微信公众号:matongxue314