Аксиальные векторы что означает

Аксиальный вектор

Аксиальный вектор (англ. axial , осевой) или псевдовектор — величина, компоненты которой преобразуются как вектор при поворотах системы координат, но меняющие свой знак противоположно тому, как ведут себя компоненты вектора при любой инверсии (обращении знака) координат. Т.е. псевдовектор меняет направление на противоположное при сохранении абсолютной величины (домножается на минус единицу) при любой инверсии координатной системы.

Для того, чтобы подчеркнуть отличие настоящего вектора, координаты которого всегда преобразуются так же, как координаты вектора перемещения, настоящий вектор называют истинным или полярным вектором.

$\mathbf L = \mathbf r \times \mathbf p$

Простейшим примером аксиального вектора в трёхмерном пространстве является векторное произведение двух полярных векторов, например, в механике — момент импульса , в четырёхмерном пространстве — аксиальный ток.

Основные сведения

При преобразовании координат координаты аксиального вектора получают домножением на дополнительный множитель (-1) по сравнению с преобразованием координат истинных (иначе называемых полярными) векторов, если базис меняет ориентацию (например, если базис подвергают зеркальному отражению). Это, наряду с псевдоскаляром, частный случай псевдотензора. Графически изображенный псевдовектор при таком изменении координат меняет направление на противоположное.

В геометрии наиболее употребительным применением псевдовектора может быть представление с его помощью трехмерного бесконечно малого поворота. Вероятно(?), термин аксиальный вектор происходит именно отсюда, так как псевдовектор определяет ось поворота (ее направление), но только с точностью до множителя (±1), с направлением же вращения связан условным произвольным выбором правого базиса, в отличие от истинного (полярного) вектора, представляющего направленный отрезок (или параллельный перенос) вполне определенно и однозначно заданного точками начала и конца.

Обычный путь порождения псевдовекторов это псевдовекторные операции, наиболее обычной, если не единственной из употребительных в трехмерном случае является векторное произведение (так как оно в обычной координатной записи включает псевдотензор Леви-Чивиты) и операции, содержащие векторное произведение (например, ротор и т.п.) или нечетное их количество. Псевдовекторная операция порождает из истинных векторов и скаляров псевдовекторы и псевдоскаляры.

Так, при умножении истинного вектора на истинный вектор — получается в скалярном произведении истинный скаляр, а в векторном произведении — псевдовектор. При умножении истинного вектора на псевдовектор — получается в скалярном произведении псевдоскаляр, а в векторном произведении истинный вектор. При перемножении двух псевдовекторов — получаются соответственно истинный скаляр и псевдовектор.

В физических теориях, за исключением таких, в которых присутствует явное и в принципе наблюдаемое нарушение зеркальной симметрии пространства, псевдовекторы могут присутствовать в промежуточных величинах, но в конечных, наблюдаемых — множители (-1) при зеркальных отражениях координат должны уничтожаться, встречаясь в произведениях четное количество раз (четное количество псевдовекторных + псевдоскалярных + других псевдотензорных множителей).

Например, в классической электродинамике индукция магнитного поля — псевдовектор, так как порождается псевдовекторной операцией, например $\ \mathbf j \times \mathbf r \$ в законе Био-Савара, но сама эта величина (псевдовектор) определена в принципе с точностью до условного множителя, который может быть выбран +1 или −1. Однако реально наблюдаемая величина — ускорение заряда под действием магнитного поля — при своем вычислении содержит еще одну псевдовекторную операцию $\ \mathbf v \times \mathbf B\$ в выражении для силы Лоренца, дающую еще один условный множитель ±1, равный первому, в ответе же произвол пропадает, так как произведение ±1·(±1) дает просто 1.

В механике наиболее часто встречающаяся псевдовекторная величина — вектор угловой скорости и связанные с нею (например, момент импульса). Истинный вектор скорости получается из псевдовектора угловой скорости $\ \mathbf<\omega>\ » width=»» height=»» /> псевдовекторной операцией <img decoding=$ может задавать ориентацию прямой, и аналогично бивектор $B\in\wedge^2 V$ , элемент второй внешней степени , — ориентацию плоскости и т. д. вплоть до -вектора из $\wedge^n V, \; n = \dim V$ (высшие степени все нулевые), задающего ориентацию на всём пространстве. Это внутренние ориентации, они никак не меняются под действием линейных преобразований, множество неподвижных точек которых включает интересующее подпространство. У подпространства может быть ещё и внешняя ориентация, вот она задаётся псевдо-чем-то-там. Она меняется на противоположную, если преобразование как выше меняет ориентацию всего пространства.

Построить же такие объекты можно как пары из (поли)вектора и ориентации пространства, рассматриваемые с точностью до одновременной смены знака обоих. Действие невырожденного линейного оператора на них задаётся покомпонентно, причём как обычно ориентация умножается на знак определителя оператора. Звёздочка Ходжа, взаимно однозначно отображающая -векторы в -векторы, требует для своего определения и скалярного произведения, и ориентации пространства (через форму объёма), но можно снять зависимость от ориентации, считая, что или на входе, или на выходе псевдо-.

Исходно псевдовекторы расплодились из-за ситуации с трёхмерным пространством, в котором таким образом бивекторы (связанные со сп. ортогональными преобразованиями; $\wedge^2 V$ изоморфно алгебре Ли $$\mathfrak<so>(V)$» />) «упрощаются» до псевдовекторов, задающих оси и величины вращения (угол, угловая скорость и т. п.), оттуда пошло «аксиальный». Вместе с ними появляются векторное произведение (из внешнего, <img decoding=$ ) и ротор — их результаты от «чистых» аргументов «нечистые». Для более простого случая двумерной плоскости с вращениями связан псевдоскаляр, а для всех размерностей выше переход к псевдо-величинам ничем не помогает, размерность понижаться не будет.

P. S. Это насколько я начитался как-то Бёрке, что по крайней мере сходится с моей визуализацией.

— Пт окт 11, 2019 01:55:18 —

(На самом деле тут было бы хорошо это всё связать с плотностями. Но я с ними как раз сам недоразобрался.)

— Пт окт 11, 2019 01:57:23 —

Вообще характеризацию того, что такое внутренняя и внешняя ориентация, я щас сам выдумал. Не помню как это будет правильно, но вроде тесты проходит.

Что такое аксиальные векторы

При инверсии системы координат (изменении знака всех осей) правая система переходит в левую, аксиальные векторы при этом не изменяются — аксиальный вектор при изменении ориентации пространства на противоположную преобразуется в противоположный вектор, т. е. аксиальный вектор — четная величина в отличие от обычного полярного вектора.

Аксиальным вектором A является векторное произведение двух полярных векторов V_i:

Такое роизведение меняет знак при переходе от правой системы координат к левой (и наоборот) или при перемене порядка векторов.

Аксиальным вектором, например, является вектор угловой скорости ω, описывающий вращение в положительном направлении вокруг оси z. Если изменить знак одной из осей, например оси y (эту операцию можно себе представить как отражение системы координат в зеркале, плоскость которого перпендикулярна этой оси), то при таком зеркальном отражении направление вращения меняется на противоположное.

При отражении в зеркале изменяется и направление вращения. Из вращения по часовой стрелке оно превратилось во вращение против часовой стрелки, то есть изменился знак проекции вектора ω на ось z.

Аксиальными векторами являются также

Простейшим примером аксиального вектора в трёхмерном пространстве является векторное произведение двух полярных векторов, например, в механике — момент импульса .

Полярный и аксиальный векторы

В физике имеется масса примеров применимости правила правой и левой руки.

В самом деле, когда мы изучаем основы физики, то узнаём о правиле правой руки, которым необходимо пользоваться, чтобы получить правильный момент количества движения и момент силы, магнитное поле и т. п.

Например, сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна F = qv x B.

Но представьте себе такое положение: пусть мы знаем F, v и B. Как из этого узнать, где у нас правая сторона?

Если вернуться назад и посмотреть, откуда произошли векторы, то увидим, что правило правой руки — просто математическое соглашение, своего рода трюк.

В самом начале такие величины, как угловая скорость и момент количества движения и другие, подобные им, в действительности вообще не были настоящими, то есть полярными векторами, принятыми в математике!

Все они каким-то образом связаны с определенными плоскостями, и только благодаря тому, что наше пространство трехмерно, эти величины можно связать с направлением, перпендикулярным данной плоскости.

Мы же из двух возможных направлений выбрали правое. Отсюда происходит определение векторного произведения полярных векторов.

Что такое аксиальные векторы

Пойдем дальше. Вы видели, что в физике имеется масса примеров применимости правила правой и левой руки. В самом деле, когда мы изучали векторный анализ, то узнали о правиле правой руки, которым необходимо пользоваться, чтобы получить правильный момент количества движения и момент силы, магнитное поле и т. п. Например, сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна . Но представьте себе такое положение: пусть мы знаем , и . Как из этого узнать, где у нас правая сторона? Если вернуться назад и посмотреть, откуда произошли векторы, то увидим, что правило правой руки — просто соглашение, своего рода трюк. В самом начале такие величины, как угловая скорость и момент количества движения и другие, подобные им, в действительности вообще не были настоящими векторами! Все они каким-то образом связаны с определенными плоскостями, и только благодаря тому, что наше пространство трехмерно, эти величины можно связать с направлением, перпендикулярным данной плоскости. Мы же из двух возможных направлений выбрали правое.

Представьте себе, что какой-то озорной чертик, решив подшутить над физиками, пробрался во все лаборатории и всюду заменил слово «правое» на «левое». И в результате, где было написано правило правой руки, мы вынуждены были бы пользоваться правилом левой руки. Ну что ж, физики бы просто не заметили этого, ибо ни к какому изменению в физических законах это бы не привело, разумеется, если физические законы симметричны.

Покажем это на примере. Вы знаете, что существуют два сорта векторов. Имеются обыкновенные, «настоящие» векторы, подобные, например, отрезку расстояния в пространстве. Пусть в нашей аппаратуре что-то находится «здесь», а нечто другое — «там», тогда те же самые «что-то» будут присутствовать и в зеркально отраженной аппаратуре. Если мы в обоих случаях проведем векторы от «сюда» до «туда», то один вектор будет отражением другого (фиг. 52.2), причем направление стрелки вектора точно, как и все пространство, «выворачивается наизнанку». Такие векторы мы называем полярными.

Фиг. 52.2. Отрезок в пространстве и его зеркальное отражение.

Но второй сорт векторов, связанных с вращением, имеет совсем другую природу. Представьте себе нечто вращающееся в трехмерном пространстве (фиг. 52.3). Если посмотреть на это в зеркало, то вращение будет происходить так, как показано на рисунке, т. е. как зеркальное изображение первоначального вращения. Условимся теперь представлять зеркальное вращение с помощью того же самого правила. В результате мы получим «вектор», который в отличие от полярного вектора не изменяется при отражении и оказывается перевернутым по отношению к полярному вектору и геометрии всего пространства. Такой вектор мы называем аксиальным.

Фиг. 52.3. Вращающееся колесо и его зеркальное отражение.

Заметьте, что направление «вектора» угловой скорости не изменяется.

Если физический закон симметрии относительно отражения правилен, то уравнения должны быть устроены так, чтобы при изменении знака каждого аксиального вектора и каждого векторного произведения (что соответствует отражению) ничего не произошло. Например, когда мы пишем формулу для момента количества движения , то здесь все в порядке, потому что при переходе в левую систему координат мы изменяем знак , а знак и не изменяется. Кроме того, изменится и векторное произведение, поскольку мы должны правило правой руки заменить правилом левой руки. Возьмем другой пример. Известно, что сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна , но если мы от правой системы перейдем к левой, то, поскольку, как известно, и — полярные векторы, изменение знака из-за наличия векторного произведения должно компенсироваться изменением знака , а это означает, что должен быть аксиальным вектором. Другими словами, при таком отражении должен переходить в . Таким образом, если мы изменяем левые координаты на правые, то одновременно нужно северный полюс магнита изменить на южный.

Давайте посмотрим на примере, как это все получается. Пусть у нас имеются два магнита, похожих на изображенные на фиг. 52.4. Один из магнитов выглядит в точности так, как зеркальное отражение другого, т. е. витки его накручены в другую сторону, и все, что происходит внутри катушки, должно быть в точности обращено в другую сторону; ток течет, как это показано на рисунке. Теперь из законов магнетизма (которые вы хотя еще и не знаете официально, но, по-видимому, помните из школьного курса) получается, что магнитное поле направлено так, как это показано на рисунке. Там, где у первого магнита южный полюс, у другого магнита будет северный, ибо у него ток течет в другую сторону, а магнитное поле перевернуто. Таким образом, выходит, что при переходе от правой системы к левой мы действительно должны заменить северный полюс на южный!

Фиг. 52.4. Электромагнит и его зеркальное отражение.

Но северный и южный полюсы — это просто договоренность, и замена их еще ничего не означает. Давайте посмотрим на само явление. Предположим, что электрон движется от нас через магнитное поле перпендикулярно к плоскости страницы. Тогда, если воспользоваться формулой для силы (не забудьте, что электрон отрицательный!), мы получим, что в соответствии с этим физическим законом электрон должен отклоняться в указанном направлении. Таким образом, явление заключается вот в чем. Если в катушке в определенном направлении течет ток, то электрон как-то отклоняется. Это и есть физика, и неважно, как мы будем называть все по дороге.

А теперь проделаем тот же опыт с зеркально отраженным магнитом: пошлем электрон в соответствующем направлении. Теперь на него будет действовать обратная сила. Вычислив ее по тем же правилам, мы получим правильный результат: соответствующее движение будет зеркальным отражением предыдущего!

Словари

АКСИАЛЬНЫЙ ВЕКТОР — АКСИА́ЛЬНЫЙ ВЕ́КТОР (от лат. axis ось), осевой вектор, величина, преобразующаяся как обычный (полярный) вектор при вращениях в евклидовом или псевдоевклидовом пространстве и (в отличие от обычного вектора) не меняющая знака при отражении координатных осей. При инверсии системы координат (изменении знака всех осей) правая система переходит в левую, аксиальные векторы при этом не изменяются — аксиальный вектор при изменении ориентации пространства на противоположную преобразуется в противоположный вектор, т. е. аксиальный вектор — четная величина.

Аксиальным вектором является векторное произведение двух векторов, меняющее знак при переходе от правой системы координат к левой (и наоборот) или при перемене порядка векторов.

Аксиальным вектором, например, является вектор угловой скорости w, описывающий вращение в положительном направлении вокруг оси z. Если изменить знак одной из осей, например оси y (эту операцию можно себе представить как отражение системы координат в зеркале, плоскость которого перпендикулярна этой оси), то при таком зеркальном отражении направление вращения меняется на противоположное. При отражении в зеркале изменяется и направление вращения. Из вращения по часовой стрелке оно превратилось во вращение против часовой стрелки, то есть изменился знак проекции вектора w на ось z.

Аксиальными векторами являются также вектор момента импульса, вектор напряженности магнитного поля, вектор магнитной индукции (см. МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ) и т. д.

Полярный и аксиальный векторы

Пойдем дальше. Вы видели, что в физике имеется масса примеров применимости правила правой и левой руки. В самом деле, когда мы изучали векторный анализ, то узнали о правиле правой руки, которым необходимо пользоваться, чтобы получить правильный момент количества движения и момент силы, магнитное поле и т. п. Например, сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна F = qv × В. Но представьте себе такое положение: пусть мы знаем F, v и В. Как из этого узнать, где у нас правая сторона? Если вернуться назад и посмотреть, откуда произошли векторы, то увидим, что правило правой руки — просто соглашение, своего рода трюк. В самом начале такие величины, как угловая скорость и момент количества движения и другие, подобные им, в действительности вообще не были настоящими векторами! Все они каким-то образом связаны с определенными плоскостями, и только благодаря тому, что наше пространство трехмерно, эти величины можно связать с направлением, перпендикулярным данной плоскости. Мы же из двух возможных направлений выбрали правое.

Представьте себе, что какой-то озорной чертик, решив подшутить над физиками, пробрался во все лаборатории и всюду заменил слово «правое» на «левое». И в результате, где было написано правило правой руки, мы вынуждены были бы пользоваться правилом левой руки. Ну что ж, физики бы просто не заметили этого, ибо ни к какому изменению в физических законах это бы не привело, разумеется, если физические законы симметричны.

Покажем это на примере. Вы знаете, что существуют два сорта векторов. Имеются обыкновенные, «настоящие» векторы, подобные, например, отрезку расстояния Дг в пространстве. Пусть в нашей аппаратуре что-то находится «здесь», а нечто другое — «там», тогда те же самые «что-то» будут присутствовать и в зеркально отраженной аппаратуре. Если мы в обоих случаях проведем векторы от «сюда» до «туда», то один вектор будет отражением другого (фиг. 52.2), причем направление стрелки вектора точно, как и все пространство, «выворачивается наизнанку». Такие векторы мы называем полярными.

Но второй сорт векторов, связанных с вращением, имеет совсем другую природу. Представьте себе нечто вращающееся в трехмерном пространстве (фиг. 52.3). Если посмотреть на это в зеркало, то вращение будет происходить так, как показано на рисунке, т. е. как зеркальное изображение первоначального вращения. Условимся теперь представлять зеркальное вращение с помощью того же самого правила. В результате мы получим «вектор», который в отличие от полярного вектора не изменяется при отражении и оказывается перевернутым по отношению к полярному вектору и геометрии всего пространства. Такой вектор мы называем аксиальным.

Если физический закон симметрии относительно отражения правилен, то уравнения должны быть устроены так, чтобы при изменении знака каждого аксиального вектора и каждого векторного произведения (что соответствует отражению) ничего не произошло. Например, когда мы пишем формулу для момента количества движения L = r X p, то здесь все в порядке, потому что при переходе в левую систему координат мы изменяем знак L, а знак р и r не изменяется. Кроме того, изменится и векторное произведение, поскольку мы должны правило правой руки заменить правилом левой руки. Возьмем другой пример.

Известно, что сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна F=qv X В, но если мы от правой системы перейдем к левой, то, поскольку, как известно, F и v — полярные векторы, изменение знака из-за наличия векторного произведения должно компенсироваться изменением знака В, а это означает, что В должен быть аксиальным вектором. Другими словами, при таком отражении В должен переходить в —В. Таким образом, если мы изменяем левые координаты на правые, то одновременно нужно северный полюс магнита изменить на южный.

Давайте посмотрим на примере, как это все получается. Пусть у нас имеются два магнита, похожих на изображенные на фиг. 52.4. Один из магнитов выглядит в точности так, как зеркальное отражение другого, т. е. витки его накручены в другую сторону, и все, что происходит внутри катушки, должно быть в точности обращено в другую сторону; ток течет, как это показано на рисунке. Теперь из законов магнетизма (которые вы хотя еще и не знаете официально, но, по-видимому, помните из школьного курса) получается, что магнитное поле направлено так, как это показано на рисунке. Там, где у первого магнита южный полюс, у другого магнита будет северный, ибо у него ток течет в другую сторону, а магнитное поле перевернуто. Таким образом, выходит, что при переходе от правой системы к левой мы действительно должны заменить северный полюс на южный!

Но северный и южный полюсы — это просто договоренность, и замена их еще ничего не означает. Давайте посмотрим на само явление. Предположим, что электрон движется от нас через магнитное поле перпендикулярно к плоскости страницы. Тогда, если воспользоваться формулой для силы v X В (не забудьте, что электрон отрицательный!), мы получим, что в соответствии с этим физическим законом электрон должен отклоняться в указанном направлении. Таким образом, явление заключается вот в чем. Если в катушке в определенном направлении течет ток, то электрон как-то отклоняется. Это и есть физика, и неважно, как мы будем называть все по дороге.

А теперь проделаем тот же опыт с зеркально отраженным магнитом: пошлем электрон в соответствующем направлении. Теперь на него будет действовать обратная сила. Вычислив ее по тем же правилам, мы получим правильный результат: соответствующее движение будет зеркальным отражением предыдущего!

Читать:
Как убрать пиксели на стриме obs