Добавить в цитаты Настройки чтения

Страница 23 из 125

Ответ таков: потому что углы аддитивны, а наклоны — нет. Что означает это утверждение? Взглянем на рис. 26. Вектор ???????? имеет наклон относительно оси ????'. Этот наклон можно описать величиной ????' (отношением числа единиц длины в направлении оси ????, приходящегося на единицу расстояния в направлении оси ????'). В данном случае мы имеем

????'

=

2

9

.

Вместе с тем вектор ???????? имеет наклон к оси ????, равный

????

=

7

6

,

а ось ????' в свою очередь обладает относительно оси ???? наклоном

????

????

=

3

4

.

Вопрос: выполняется ли следующий закон для наклонов:

⎛

⎜

⎜

⎝

Наклон ????????

относительно

оси ????

⎞

⎟

⎟

⎠

=

⎛

⎜

⎜

⎝

Наклон ????????

относительно

оси ????'

⎞

⎟

⎟

⎠

+

⎛

⎜

⎜

⎝

Наклон ????'

относительно

оси ????

⎞

⎟

⎟

⎠

?

Наклоны в эвклидовой геометрии не аддитивны

Проверка («экспериментальная математика»):

7

6

=

2

9

+

3

4

?

42

36

=

8

36

+

27

36

?

42

=

8

+

27

=

35

?!

Неверно!

Вывод: наклоны не аддитивны! Вопрос: раз наклоны не аддитивны, т.е. ???? не равняется сумме ????' и ????????, то как же найти правильно наклон ???? из наклонов ????' и ????????? Ответ:

(по определению наклона)

⎛

⎜

⎜

⎝

Наклон ????????

относительно

оси ????

⎞

⎟

⎟

⎠

=

????

=

Δ????

Δ????

=

[из (19)]

=

(1+????????²)⁻¹/²Δ????'+????????⋅(1+????????²)⁻¹/²Δ????'

-????????(1+????????²)⁻¹/²Δ????'+(1+????????²)⁻¹/²Δ????'

=

[сокращение числителя и

знаменателя на

(1+????

????

²)⁻¹

/

²

]

=

Δ????'+????????Δ????'

-????????Δ????'+Δ????'

=

(деление числителя и знаменателя на

Δ

????'

)

=

(Δ????'/Δ????')+????????

-????????(Δ????'/Δ????')+1

.

Окончательный вывод:

????

=

????'+????????

1-????'????????

.

(20)

Иными словами, наклоны ????' и ???????? могут считаться аддитивными, лишь если произведением ????'•???????? стоящим в знаменателе, можно пренебречь по сравнению с единицей.

Аддитивны углы наклона

Рис. 28. Угол — удобная мера наклона оси ????' относительно оси ????. Удобство здесь в том. что углы подчиняются простому правилу сложения: θ=θ'+θ????.

Так как наклоны не аддитивны, а значит, неудобны для описания относительного поворота двух систем координат, то как же выбрать лучшую характеристику этого поворота? Ответ: взять угол между осями ???? и ????'. Почему? Потому что углы подчиняются простому закону сложения (рис. 28):

⎛

⎜

⎝

Угол между

???????? и осью ????

⎞

⎟

⎠

=

⎛

⎜

⎝

Угол между

???????? и осью ????'

⎞

⎟

⎠

+

⎛

⎜

⎝

Угол между

осями ????' и ????

⎞

⎟

⎠

,

или

θ

=

θ'

+

θ

????

.

(21)

Благодаря выполнению этого соотношения угол является простейшей характеристикой наклона.

Как связаны между собой новая и старая характеристики наклона — угол θ и наклон ???????? оси ????' относительно оси ????? Ответ:

????

????

=

tg θ

????

(22)

(по тригонометрическому определению функции тангенса; см. рис. 29).

Рис. 29. Связь между взаимным наклоном ???????? осей ????' и ???? двух эвклидовых систем координат и углом θ???? между этими осями.

Закон сложения величин наклона в эвклидовой геометрии

Вопрос: как можно расшифровать закон сложения величин наклона, если исходить из того, что эти величины суть тангенсы углов? Ответ:

tg θ

=

tg (θ'+θ

????

)

=

⎛

⎜

⎝

аддитивность

углов

⎞

⎟

⎠

=

tg θ'+tg θ????

1-tg θ'•tg θ????

,

(тригонометрия)

(23)

или

????

=

????'+????????

1-????'•????????

•

⎛

⎜

⎝

тангенсы заменены

на величины наклонов

⎞

⎟

⎠

Сравнивая сложный закон сложения тангенсов (величин наклона) с простым законом сложения углов (θ=θ'+θ????), мы убеждаемся в том, что угол — простейшая характеристика поворота.

Закон сложения скоростей

Рис. 30. Мировая линия пули, изображённая на диаграмме пространства-времени системы отсчёта ракеты. Пуля была выпущена вперёд по движению ракеты со скоростью β'=Δ????'/Δ????' в системе отсчёта ракеты.

Что же будет простейшей характеристикой движения? Во всяком случае, не сама скорость, так как она не подчиняется простому закону сложения. Определим этот закон сложения скоростей. Пусть в системе отсчёта ракеты будет в направлении вперёд по её движению выстрелена пуля со скоростью β' в этой системе (рис. 30):

β'

=

Число метров,

пройденных в

направлении оси ????'

за каждый

⎛

⎜