\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \newcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bff}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\iu}{\mathrm{i}} \newcommand{\ju}{\mathrm{j}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} \newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]} \newcommand{\piste}{\cdot} \newcommand{\qedhere}{} \newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]} \newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]} \newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|} \newcommand{\trans}{\mathrm{T}} \newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}} \newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}} \newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}} \newcommand{\num}[2][]{#2} \newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}} \newcommand{\meter}{m} \newcommand{\metre}{\meter} \newcommand{\kilo}{k} \newcommand{\kilogram}{kg} \newcommand{\gram}{g} \newcommand{\squared}{^2} \newcommand{\cubed}{^3} \newcommand{\minute}{min} \newcommand{\hour}{h} \newcommand{\second}{s} \newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C} \newcommand{\per}{/} \newcommand{\centi}{c} \newcommand{\milli}{m} \newcommand{\deci}{d} \newcommand{\percent}{\%} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}} \newcommand{\oiint}{\unicode{x222F}}\]

Kaarevuus

Kaarevuus (curvature) liittyy käyrän suunnan muutosnopeuteen. Geometrisesti tarkasteltuna on luontevinta selvittää ensin tutkittavassa pisteessä käyrän kaarevuussäde (radius of curvature) \(R\) ja määritellä sen avulla kaarevuus \(K=\kappa=1/R\); tässä \(\kappa\) = ’kappa’.

Maanteiden ja raiteiden kohdalla käytetään nimitystä kaarresäde. Esimerkiksi Helsingin keskustan raitiovaunukiskojen pienin kaarresäde on noin 15 metriä ja Raide-Jokerin reitillä noin 25 metriä.

../_images/kaarevuussade.svg

Jotta pääsemme mahdollisimman nopeasti myös kolmiulotteiseen tapaukseen, tarkastellaan lähtökohtana seuraavaa esimerkkiä.

Esimerkki 2.7.1

Hiukkanen kiertää \(R\)-säteistä ympyrärataa kulmanopeudella \(\omega\). Määritä sen normaalikiihtyvyys.

Radan parametrisointi ajan suhteen on muotoa \(x=R\cos \omega t\), \(y=R\sin \omega t\). Tällöin

\[\br'(t)=-R\omega \sin (\omega t)\bi +R\omega \cos(\omega t)\bj\]

ja \(\|\br'(t)\|=R\omega\). Jälkimmäinen yhtälö kertoo myös kulmanopeuden yhteyden hiukkasen vauhtiin. Kiihtyvyydeksi saadaan

\[{\bf a}(t)=-R\omega^2 \cos (\omega t)\bi -R\omega^2 \sin(\omega t)\bj = -\omega^2R\cdot \underbrace{\frac{1}{R} \br (t)}_{\| .\|=1},\]

joten \({\bf a}_N={\bf a}\) ja \(a_N=\omega^2R=\|\br'(t)\|^2/R\). Tuloksena saatiin siis tasaisen ympyräliikkeen normaalikiihtyvyyden kaava \(a_N=v^2/R\).

Siirrytään sitten esimerkistä yleisen käyrän tapaukseen. Esimerkin viimeinen muoto saattaa olla ennestään tuttu keskeiskiihtyvyyden lauseke lukiofysiikasta. Se antaa myös viitteen siitä, että yleisen käyrän kaarevuussäde voitaisiin laskea kaavalla \(R=\|\br'(t)\|^2/a_N\) vertaamalla käyrän kulkua hetkellisesti pyörimisliikkeeseen. Osoittautuu, että tämä johtaa käytännölliseen määritelmään, mutta sitä ennen tarvitaan normaalikiihtyvyydelle \(a_N\) konkreettinen lauseke, joka saadaan seuraavalla tavalla kolmiulotteisen tapauksen kautta.

Koska \(\br''={\bf a}=a_T{\bf u}+a_N{\bf n}\), niin muodostamalla vektorin \({\bf u}\) ristitulo tämän yhtälön molempien puolten kanssa saadaan

\[{\bf u}\times \br''=a_T\underbrace{{\bf u}\times {\bf u}}_{=\overline{0}} + a_N{\bf u}\times {\bf n} = a_N{\bf u}\times {\bf n}.\]

Tässä \({\bf u}\times {\bf n}\) on yksikkövektori (itse asiassa sivunormaali), joten

\[|a_N|=\|{\bf u}\times \br''\| =\frac{\|\br'\times \br''\|}{\|\br'\|}.\]

Yhdistämällä saadut kaavat päädytään seuraavaan määritelmään.

Määritelmä 2.7.2

Jos \(\br=\br(t)\) on kolmiulotteisen käyrän säännöllinen kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva parametrisointi, niin käyrän kaarevuus pisteessä \(\br(t)\) on

\[\kappa = \kappa(t)= \frac{\|\br'(t)\times \br''(t)\|}{\|\br'(t)\|^3} = \frac{\|{\bf v}(t)\times {\bf a}(t)\|}{\|{\bf v}(t)\|^3}\]

ja vastaava kaarevuussäde \(R=R(t)=1/\kappa(t)\).

Ennen esimerkkejä tutkitaan, mitä kaarevuus tarkoittaa tasokäyrille, jotka saadaan avaruuskäyrien erikoistapauksena asettamalla \(z(t)\equiv 0\).

Tällöin

\[\begin{split}\br'(t)\times \br''(t)=\left| \begin{matrix} \bi &\bj &\bk \\ x'(t)&y'(t)&0\\ x''(t)&y''(t)&0\\ \end{matrix}\right| =(x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t))\bk\end{split}\]

ja \(\|\br'(t)\|=\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}\), joten kaksiulotteinen kaarevuus voidaan määritellä seuraavalla tavalla.

Määritelmä 2.7.3

Tarkastellaan tasokäyrää, jolla on säännöllinen kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva parametrisointi \(\br(t)=(x(t),y(t))\). Tällöin pisteessä \(\br(t)\) käyrän kaarevuus on

\[\kappa = \frac{x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)}{\|\br'(t)\|^3}\]

ja vastaava kaarevuussäde on \(R=1/|\kappa|\).

Molempia tuloksia voidaan soveltaa myös erikoistapauksiin \(1/0=\infty\) ja \(1/\infty =0\). Huomattakoon, että tasokäyrän kaarevuuden osoittajasta on jätetty itseisarvot pois. Kokeilemalla havaitaan, että \(\kappa > 0\), jos tasokäyrä kaartuu positiiviseen suuntaan kuljettaessa vasemmalle, ja \(\kappa < 0\) oikealle suuntautuvassa kaarteessa. Kolmiulotteisessa tapauksessa vastaava geometrinen tulkinta voidaan esittää (lokaalisti) projisoimalla käyrä yksikkötangentin ja päänormaalin virittämään tasoon.

Huomautus 2.7.4

Tasokäyrän kaarevuussäteen lauseke voidaan perustella myös seuraavalla geometrisella tavalla. Koska ympyrän kaksi normaalia leikkaavat aina ympyrän keskipisteessä, niin ehkäpä yleisen tasokäyrän kaksi lähekkäisiin pisteisiin piirrettyä normaalisuoraa leikkaisivat toisensa lähellä kaarevuuskeskipistettä? (center of curvature) Määritetään siis tutkittavan pisteen \(\br(t_0)\) kautta kulkeva normaali ja muodostetaan vastaava normaali lähellä olevaan pisteeseen \(\br(t_0+\Delta t)\). Lasketaan normaalien leikkauspisteen koordinaatit ja niistä raja-arvo, kun \(\Delta t\to 0\). Tämän pisteen etäisyys tutkittavasta käyrän pisteestä on etsitty kaarevuussäde. Välivaiheet ovat periaatteessa suoraviivaisia, mutta teknisesti hieman hankalia (l’Hospitalin sääntö muutaman kerran peräkkäin), ja johtavat samaan tulokseen kuin yllä!

../_images/kkp.svg

Lähekkäisten normaalien leikkauspiste \(K\) on lähellä kaarevuuskeskipistettä.

Lisäksi tämä geometrinen tapa sivuuttaa (usein) parametrisoinnin säännöllisyyteen liittyvän ongelman, sillä määritelmien kaavoja ei voi käyttää tapauksessa \(\| \mathbf{r}'(t)\|=0\). Geometrisella tavalla tulkittuna esimerkin 2.3.6 paraabelin kaarevuussäde origossa on 1/2 riippumatta siitä, millaista parametrisointia käytetään.

Esimerkki 2.7.5

Määritä Raide-Jokerin pienin kaarresäde Otaniemessä käyttämällä karttaa ja yllä mainittua normaali-menetelmää.

Piilota/näytä ratkaisu

Harjoitustehtävä. Huomaa, että tehtävä on hyvin häiriöaltis normaalien suuntien suhteen.

Esimerkki 2.7.6

Lasketaan ellipsin \(x^2/a^2+y^2/b^2=1\) kaarevuus pisteessä \((a,0)\). Ellipsillä on parametrisointi \(x=a\cos t,\ y=b\sin t\) ja tarkasteltava piste vastaa parametrin arvoa \(t=0\). Nyt siis

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \frac{x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)}{(x'(t)^2+y'(t)^2)^{3/2}}&=& \frac{(-a\sin t)(-b\sin t)-(-a\cos t)b\cos t}{(a^2\sin^2t+b^2\cos^2t)^{3/2}}\nonumber\\ &=&\frac{ab}{(a^2\sin^2t+b^2\cos^2t)^{3/2}},\nonumber \end{array}\end{split}\]

joten arvolla \(t=0\) saadaan

\[\kappa = \frac{ab}{b^3}=\frac{a}{b^2}.\]

Huomattakoon, että tapauksessa \(a=b=R\) tuloksesta saadaan \(R\)-säteisen ympyrän kaarevuudeksi \(1/R\), kuten pitääkin.

Esimerkki 2.7.7

Oletetaan, että tasokäyrällä \(C\) on kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva säännöllinen parametriesitys, josta laskettu kaarevuus on nolla. Sijaitseeko käyrä \(C\) jollakin suoralla?

Piilota/näytä ratkaisu

Harjoitustehtävä.

Palautusta lähetetään...