Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
(EOD).Reference information.pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
23.08.2013
Размер:
1.49 Mб
Скачать

page 43

z

 

z

 

(x,y ,z )↔ (r,θ φ, )

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

= r sin θ cosφ

 

r =

x2 + y2 + z2

 

 

 

 

y

 

= r sin θ sinφ

 

θ

= atan

y

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

z

= r cos θ

 

φ

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= acos -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

2.5 MATRICES AND VECTORS

2.5.1 Vectors

• Vectors are often drawn with arrows, as shown below,

head terminus

A vector is said to have magnitude (length or strength) and direction.

origin tail

page 44

• Cartesian notation is also a common form of usage.

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

becomes

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Vectors can be added and subtracted, numerically and graphically,

A = (2,3 ,4 )

A + B = (2 + 7,3 + 8 ,4 + 9 )

B = (7,8 ,9 )

A B = (2 – 7,3 – 8 ,4 – 9 )

Parallelogram Law

B

A+B

 

A

A

 

 

B

2.5.2 Dot (Scalar) Product

• We can use a dot product to find the angle between two vectors

page 45

cos θ

 

F1

F2

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

 

F2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

=

 

 

 

(2 )(5 )+ (4 )(3 )

 

acos ------------------------

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

+ 4

2

5

2

+ 3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

=

acos

----------------------

 

 

22

 

 

= 32.5°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.47 )(6 )

 

 

 

 

y

F2

= 5i + 3j

θ

 

F1

= 2i + 4j

 

 

 

x

• We can use a dot product to project one vector onto another vector.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

F1 = (– 3i + 4j + 5

k

)N

We want to find the component of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

force F1 that projects onto the

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vector V. To do this we first con-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vert V to a unit vector, if we do

 

 

 

V = 1j + 1k

not, the component we find will

 

 

 

be multiplied by the magnitude

 

 

 

 

 

 

y

of V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

V

1j + 1k

 

 

F1

λ V

 

 

 

 

 

 

 

=

-----

 

 

= -------------------- = 0.707j + 0.707k

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

12 + 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1V

= λ V F1 = (0.707j + 0.707

k

)•(– 3i + 4j + 5

k

)N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1V = (0 )(–3 )+ (0.707 )(4 )+ (0.707 )(5 ) = 6N

V

 

 

 

 

 

 

F1V

• We can consider the basic properties of the dot product and units vectors.

page 46

Unit vectors are useful when breaking up vector magnitudes and direction. As an example consider the vector, and the displaced x-y axes shown below as x’-y’.

y

F

= 10N

 

 

y’

 

x’

 

 

45°

 

60°

 

 

 

x

We could write out 5 vectors here, relative to the x-y axis,

x axis = 2i y axis = 3j

x‘ axis = 1i + 1j y‘ axis = – 1i + 1j

F = 10N 60° = (10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j

None of these vectors has a magnitude of 1, and hence they are not unit vectors. But, if we find the equivalent vectors with a magnitude of one we can simplify many tasks. In particular if we want to find the x and y components of F relative to the x-y axis we can use the dot product.

λ x = 1i + 0j (unit vector for the x-axis)

Fx = λ x F = (1i + 0j )•[(10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j ]

= (1 )(10 cos 60° )+ (0 )(10 sin 60° ) = 10N cos 60°

This result is obvious, but consider the other obvious case where we want to project a vector onto itself,

page 47

λ F =

F

 

10 cos 60°i + 10 sin 60°j

= cos 60°i + sin 60°j

-----

=

--------------------------------------------------------

F

 

 

 

 

10

 

Incorrect - Not using a unit vector

FF = F F

=((10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j )•((10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j )

=(10 cos 60° )(10 cos 60° )+ (10 sin 60° )(10 sin 60° )

=100((cos60° )2 + (sin 60° )2 ) = 100

Using a unit vector

FF = F •λ F

=((10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j )•((cos 60° )i + (sin 60° )j )

=(10 cos 60° )(cos 60° )+ (10 sin 60° )(sin 60° )

2

2

 

= 10((cos 60° )

+ (sin 60° ) ) = 10

Correct

Now consider the case where we find the component of F in the x’ direction. Again, this can be done using the dot product to project F onto a unit vector.

ux' = cos 45°i + sin 45°j

Fx' = F •λ x' = ((10 cos 60° )i + (10 sin 60° )j )•((cos 45° )i + (sin 45° )j )

=(10 cos 60° )(cos 45° )+ (10 sin 60° )(sin 45° )

=10(cos 60°cos 45° + sin 60°sin 45° ) = 10(cos (60° – 45° ))

Here we see a few cases where the dot product has been applied to find the vector projected onto a unit vector. Now finally consider the more general case,

page 48

y

 

V2

 

V1

θ 2

V2V 1

 

θ 1

 

x

First, by inspection, we can see that the component of V2 (projected) in the direction of V1 will be,

V2V 1 = V2 cos 2 θ 1 )

Next, we can manipulate this expression into the dot product form,

= V2 (cos θ 1 cos θ 2 + sin θ 1 sin θ 2 )

= V2 [(cos θ 1i + sin θ 1j )•(cos θ2i + sin θ 2j ) ]

 

 

 

 

 

V1

V2

 

 

 

 

 

 

V1

V2

 

 

V1 V2

•λ V1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

V2

 

 

--------

 

 

 

 

=

V2

 

 

-----------------

 

 

 

 

 

=

----------------- = V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

V2

 

 

 

V1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Or more generally,

 

 

 

 

 

 

cos 2 θ

1 ) =

 

 

 

 

 

 

 

V1

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V2V1

=

 

V2

 

 

V2

 

 

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2 θ 1 ) =

 

 

 

 

 

 

V1

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V2

 

V2

 

 

 

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

θ 1 ) =

 

V1

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Note that the dot product also works in 3D, and similar proofs are used.

Соседние файлы в предмете Электротехника