Curvas paramétricas e funções vetoriais

Parametrização, triedro, planos associados, comprimento, curvatura e centro de curvatura.

TLDR

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Parametrização e regularidade

  • A imagem é o percurso; o parâmetro determina sentido e velocidade.
  • Segmento de PP a QQ: r(t)=P+t(Q−P)\mathbf r(t)=P+t(Q-P), 0≤t≤10\le t\le1.
  • Circunferência de raio R>0R>0: (a+Rcos⁡t,b+Rsin⁡t)(a+R\cos t,b+R\sin t), anti-horária. Trocar o sinal do seno inverte o sentido.
  • Velocidade r′\mathbf r', velocidade escalar v=∥r′∥v=\|\mathbf r'\|, aceleração r′′\mathbf r'', tudo componente a componente.
  • Regular onde r′≠0\mathbf r'\ne0: só aí se define a tangente unitária. Velocidade nula impede dividir por vv.

Triedro, planos e curvatura

Para curva C2C^2 regular, onde T′≠0\mathbf T'\ne0:

T=r′v,N=T′∥T′∥,B=T×N.\mathbf T=\frac{\mathbf r'}v,\qquad \mathbf N=\frac{\mathbf T'}{\|\mathbf T'\|},\qquad \mathbf B=\mathbf T\times\mathbf N.
PlanoNormal
NormalT\mathbf T
OsculadorB\mathbf B
RetificadorN\mathbf N
κ=∥T′∥v=∥r′×r′′∥v3,a=v′T+v2κN.\kappa=\frac{\|\mathbf T'\|}{v} =\frac{\|\mathbf r'\times\mathbf r''\|}{v^3},\qquad \mathbf a=v'\mathbf T+v^2\kappa\mathbf N.
  • No plano, o numerador é ∣x′y′′−y′x′′∣\lvert x'y''-y'x''\rvert. Num gráfico, κ=∣f′′∣/(1+f′2)3/2\kappa=\lvert f''\rvert/(1+f'^2)^{3/2}.
  • Se vv varia, retira primeiro a componente tangencial: T′=(r′′−v′T)/v\mathbf T'=(\mathbf r''-v'\mathbf T)/v, com v′=r′⋅r′′/vv'=\mathbf r'\cdot\mathbf r''/v. Normalizar r′′\mathbf r'' só dá N\mathbf N quando a componente tangencial é nula.
  • Onde κ>0\kappa>0, o centro de curvatura é P+N/κP+\mathbf N/\kappa. Numa reta, κ=0\kappa=0 e não há normal única.

Na hélice (cos⁡t,sin⁡t,t)(\cos t,\sin t,t), em t=0t=0: T=(0,1,1)/2\mathbf T=(0,1,1)/\sqrt2, N=(−1,0,0)\mathbf N=(-1,0,0), κ=1/2\kappa=1/2 e o centro é (−1,0,0)(-1,0,0). A figura mostra a projeção no plano xyxy, sem a subida em zz.

L=∫abv(t) dt,s(t)=∫atv(u) du.L=\int_a^b v(t)\,dt,\qquad s(t)=\int_a^t v(u)\,du.

Com v>0v>0, inverter s(t)s(t) dá a parametrização pelo arco, de velocidade escalar 1. Integrar r′\mathbf r' dá deslocamento, não comprimento.

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