史上最详细的等距螺旋公式的推导步骤
(这个推导过程是从没有过的,所以史上最详细的说法没有毛病。)
等距螺旋是以每一旋转周期,曲线外扩相同的距离为共同特征的螺旋状曲线,它包含了阿基米德螺旋、渐开线螺旋、风螺旋、C螺旋以及自由螺旋等众多的螺旋。
等距螺旋与传统螺旋的主要区别在于,它是以直线运动与圆周运动叠加的轨迹为理论依据,以数学公式的分析为补充,实现了从收缩到外扩的完整螺旋过程的分析。传统螺旋的分析内容通常仅为等距螺旋的局部区间,表现为单纯的收缩部分或单纯的外扩部分。
在讨论过螺旋运动的原理之后,等距螺旋的话题就可以开始进入纯数学公式的推导。
上一个话题里通过DA角的分析,引出直线运动与圆心点的距离D与圆周半径之比,等于sin(DA)。并且引入了一幅角度关系图,如图1所示:
图1 等距螺旋角度关系图
通常在极坐标系中通过(α,ρ)参数来描述数学曲线,在等距螺旋中角度关系更加复杂,需要引入更多的角度和参数来表示。
假定圆周的半径为r,圆周运动的速度用v来表示,计算公式为:
-
v=2πr/T
T代表圆周旋转一周所需要的时间。
直线运动的速度用w来表示,计算公式为:
-
w=S/T
S代表旋转一周时间后,动点在直线上运动过的距离,它的计算公式为:
-
S=w*T= w*2πr/v
将每弧度对应的直线运动距离用E来表示,则得到公式:
-
E = (2πrw/v)/(2π)=rw/v
若用Eθ来表示 从起点开始旋转θ角度后,直线上的移动距离,则可以知道:
-
Eθ=E * θ =θ*r* w/v
【这里隐藏了一个转弯率公式:
-
R =2π/T= 2π/(2πr/v)= v/r
即飞行程序设计中使用的:
-
Eθ=θ*w/R
飞行程序设计中转弯率最大取值为3°/s(角度/秒)】
在图1中,利用余弦定理,可以得到ρ边的表达式
化简得
代入Eθ公式,得
在图1中,根据正弦定理,可以得到β角的计算式:
-
ρ/sin(π-DA)= Eθ/sin(β)
-
β = arcSin(Eθ*sinDA/ρ)
按照图1中的角度关系,可得:
-
α=θ-β=θ-arcSin(Eθ*sinDA/ρ) (公式二)
至此,初步的(α,ρ)参数都有了,可以“自动化”的绘制等距螺旋了。
若螺旋线是“逆时针”外扩的,则角度关系如图2所示:
【逆时针加双引号,是想强调一下,在等距螺旋中,并不真的存在顺时针或是逆时针的差别,有可能是同一条螺旋,正如之前一直讨论的内容,只是这两部分需要用不同的数学公式来表示而已。】
图2 “逆时针”螺旋 角度关系
图2中的ρ边长度计算方法与图1是相同的,只是α的角度关系发生了变化,变成了:
-
α=θ+β=θ+arcSin(Eθ*sinDA/ρ) (公式三)
公式一、二、三共同构成了等距螺旋的通用公式,它在不同的DA角的情况下可以转化为阿基米德螺旋(DA=0)、渐开线螺旋(DA=π/2),后面我们再来逐个详聊,今天就先到这里吧。
今天的公式有点多,对于飞行程序设计人员来说,这些公式一定看着很眼熟吧?没错,等距螺旋公式正是从风螺旋公式扩展而来,所以采用了风螺旋公式的图符表示系统。未来等距螺旋若有幸成为几何课程的一部分,各位飞行程序设计界的朋友,你们必将是最容易掌握这一技术的先行者,万事皆有可能,您觉得呢?
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