How sharply does a road bend?
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Driving along a winding road, how sharply does it bend at each point? Is there a circle that fits the road best at each point — and what is its radius?
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प्रयोग
एक वक्र की वक्रता
एक बिंदु वक्र पर चलता है। आश्लेषी वृत्त वह वृत्त है जो उस बिंदु पर वक्र से सबसे अच्छा मेल खाता है; उसकी त्रिज्या 1/κ है।
- चिह्नित वक्रता
- κ = 0.447
- वक्रता-त्रिज्या
- 1/|κ| = 2.239
जहाँ वक्र पर चलते हुए वह बाईं ओर मुड़ता है वहाँ κ धनात्मक है, और जहाँ दाईं ओर मुड़ता है वहाँ ऋणात्मक। N, स्पर्शरेखा T को 90° बाईं ओर घुमाने से मिलता है; आश्लेषी वृत्त का केंद्र 1/|κ| दूरी पर, उस ओर होता है जिधर वक्र मुड़ता है।
∫ κ ds = 6.283 = 1.000 × 2π
घूर्णन संख्या 1: एक बार पूरा घूमने पर स्पर्शरेखा कुल मिलाकर 1 × 360° घूमती है।
हॉप्फ़ का Umlaufsatz: एक चिकने बंद वक्र के लिए ∫ κ ds = 2π × (घूर्णन संख्या)। एक सरल बंद वक्र — जो ख़ुद को कभी नहीं काटता — वामावर्त चलने पर हमेशा घूर्णन संख्या 1 रखता है। भीतरी लूप वाले लिमासों की संख्या 2 है; आठ के आकार की 0।
चाप-लंबाई और ∫ κ ds हज़ारों बिंदुओं पर सटीक अवकलजों से संख्यात्मक रूप से निकाले जाते हैं, इसलिए आख़िरी अंक थोड़ा डगमगा सकता है।
चिह्नित वक्रता κ बनाम चाप-लंबाई s
इस ग्राफ़ के नीचे का चिह्नित क्षेत्रफल ∫ κ ds है (अक्ष के ऊपर हरा-नीला धनात्मक, नीचे टेराकोटा ऋणात्मक)। नुकीले बिंदु के पास के बहुत बड़े मान काट दिए जाते हैं।
संकेत, यदि आप चाहें
क्या हो रहा है
क्या हो रहा है
The circle that fits a curve best at a point — the limit of circles through three nearby points — is the osculating circle ("kissing circle"). If its radius is , the curvature of the curve there is : a gentle bend has a large circle and small curvature, a hairpin has a small circle and large curvature, and a straight road has curvature .
For the graph of ,
For the parabola at its lowest point, and , so and the osculating circle has radius .
Curvature has a striking global property. Walk once around a simple closed curve, adding up the curvature as you go (counting bends to the left as positive and to the right as negative): the total is always . Heinz Hopf proved this turning-tangent theorem in 1935. Road and railway engineers use curves whose curvature grows steadily — clothoids, or Euler spirals — so that the steering wheel turns smoothly instead of suddenly.
Gauss extended curvature to surfaces, and found that the curvature of a surface can be measured by creatures living inside it, without leaving it. Riemann extended it to spaces of any dimension, and Einstein used that curvature to describe gravity.
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- स्नातक (उन्नत) · पाठ उपलब्धDifferential geometry of curves and surfacesCurvature and torsion of space curves, the first and second fundamental forms of surfaces, Gaussian and mean curvature, Gauss's Theorema Egregium, geodesics and the Gauss–Bonnet theorem.
- स्नातकोत्तर प्रथम वर्ष · पाठ उपलब्धRiemannian geometryCurved spaces studied from the inside: Riemannian metrics, the Levi-Civita connection, geodesics and the exponential map, curvature tensors, Jacobi fields, the global Gauss–Bonnet theorem, Hopf–Rinow, and comparison theorems such as Bonnet–Myers.
- स्नातकोत्तर प्रथम वर्ष · पाठ उपलब्धThe geometry of spacetime: special and general relativityPhysics as geometry: Minkowski spacetime and the Lorentz group, proper time and causal structure, Lorentzian manifolds, the equivalence principle, Einstein's field equations, the Schwarzschild solution, geodesics of light and matter, and cosmological models.