Krummlinige Koordinatensysteme?

2 Antworten

Wenn man jetzt Kugelkoordinaten betrachtet mit den Einheitsvektoren e_r, e_theta, e_phi

das sind keine Vektoren, sondern Komponenten. Radius, Höhe und Azimut definieren erst zusammen einen Vektor

Lukas2812 
Fragesteller
 06.01.2022, 10:50

Es gibt auch in den kugelkoordinaten einheitsvektoren

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hologence  06.01.2022, 10:53
@Lukas2812

ja, aber um deren Richtung festzulegen, braucht man die beiden Winkel.

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Lukas2812 
Fragesteller
 06.01.2022, 11:06
@hologence

Das ist klar. Aber wofür brauch man überhaupt mehr als einen Vektor. Je nach Wahl von Theta und phi kann ja bereits e_r jeden beliebigen Vektor abbilden

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hologence  06.01.2022, 11:34
@Lukas2812

man braucht nur einen Vektor, gegeben durch die Komponenten r, theta, phi. Auch in kartesischen Koordinaten sind x,y,z nur Komponenten, nicht Vektoren. Aber jeder Vektor in D3 braucht drei Komponenten. Übrigens auch in Zylinderkoordinaten.

Und ein Einheitsvektor hat die Länge 1, das ist das einzige, was ihn von anderen Vektoren unterscheidet - in Kugelkoordinaten ist beim Einheitsvektor r=1, in kartesischen ist Wurzel(x^2+y^2+z^2) = 1

Und woher diese komische Schreibweise mit "e_" kommen soll, ist mir schleierhaft.

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SlowPhil  06.01.2022, 23:57
...das sind keine Vektoren, sondern Komponenten.

Nein, es sind Vektoren, nämlich Einheitsvektoren, deshalb das 'e_'.

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hologence  07.01.2022, 05:10
@SlowPhil

ein Bild sagt mehr als tausend Worte: http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/ap-2015/ap-2015335eps.png

Die dort eingezeichneten er, etheta und ephi sind zwar Einheitsvektoren, die aber im Gegensatz zu den ex, ey, ez nicht unabhängig voneinander sind - das finde ich etwas irreführend, weil sie nicht das Polarkoordinatensystem aufspannen, so wie ex, ey, ez das kartesische. Statt dessen spannen sie ein mitdrehendes kartesisches auf. Nichts davon hat der FS erwähnt, sonst wäre alles einfacher gewesen. Bezeichnungen und Kürzel sind nun mal nicht kontextfrei.

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SlowPhil  07.01.2022, 09:07
@hologence

Das ist völlig richtig. Ein Polarkoordinatensystem ist auch nicht in dem Sinne ein anderes, von einem bestimmten (räumlichen) Kartesischen Koordinatensystem S unabhängiges Koordinatensystem wie ein gegen S gedrehtes kartesisches Koordinatensystem S°, sondern es korrespondiert immer mit einem bestimmten Kartesischen Koordinatensystem, z.B. S: Die positive z- Richtung ist die θ=0- Richtung, die negative die θ=π- Richtung, die positive x- Richtung ist die θ=½π-und-φ=0- Richtung, die positive y- Richtung die θ=½π-und-φ=½π- Richtung.

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e_r ist kein global konstanter Einheitsvektor. Wie in krummlinigen Koordinatensystemen üblich, hängt er von den anderen Koordinaten ab. Das hat unter anderem deinen Trugschluss in 1. zur Folge. Nur weil du dem Vektor r die Korrdinaten theta und phi zur Verfügung stellt, kannst du jeden Vektor aus ihm basteln. Und was braucht man, um phi und theta zur verfügung zu stellen? Deren Einehitsvektoren! Deshalb sind implizit immer drei Einheitsvektoren notwendig.

Zu 2. nein, drei Einträge sind nicht auf ein kartesisches Koordinatensystem bezogen. Das ist einfach eine ganz allgemeine Darstellung eines drei Dimmensionalen Vektors bezüglich einer Basis.

Lukas2812 
Fragesteller
 06.01.2022, 14:08

Aber wie sehen denn die Einheitsvektoren aus? Das sind ja auch nur Vektoren mit Einträgen sin,cos von phi bzw. Theta. Der Einheitsvektor von theta sagt ja nichts direkt über theta aus. Ich brauche diesen Vektor ja nicht, um einen Vektor darzustellen. Oder wo liegt der Denkfehler?

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yanmeitner2  06.01.2022, 14:33
@Lukas2812

Naja, wie die Einheitsvektoren aussehen hast du ja schon beschrieben: An jedem Ort anders. Angenommen du befindest dich an einem beliebigen Punkt P innerhalb deines Korrdinatensystems. Der Basisvektor r zeigt dann radial nachaußen. Mit diesem Basisvektor allein, kann also niemals jeder andere beliebige Punkt erreicht werden. Dafür braucht es die anderen Basisvektoren.

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Lukas2812 
Fragesteller
 06.01.2022, 14:36
@yanmeitner2

Das heißt also der reine ortsvektor lässt sich schon mit dem r Einheitsvektor darstellen, aber wenn ich mich an einem beliebigen Punkt befinde, brauche ich, logischerweise, alle drei um mich in jede Richtung bewegen zu können?

mich hat halt gewundert, dass man ja in kartesischen Koordinaten alle drei Vektor für den ortsvektor brauch und hier nur einen

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yanmeitner2  06.01.2022, 14:40
@Lukas2812

Ja, wenn du am Nullpunkt bist dann ja. Das ist halt gerade die Konstruktion von Kugelkoordinaten.

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Lukas2812 
Fragesteller
 06.01.2022, 15:08
@yanmeitner2

Wie ist es denn zu verstehen, dass die Größe r in den Einheitsvektoren gar nicht vorkommt?

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SlowPhil  08.01.2022, 17:46
@Lukas2812

r ist ein Betrag. Bei Einheitsvektoren ist er definitionsgemäß gleich 1 und kann damit weggelassen werden, da

1∙X ≡ X,

was immer X auch ist. Auch definitionsgemäß.

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