• 3

論觀測等速直線運動角速率計算~舊法與新法

本樓主旨:
除了再次介紹上次在別樓分享自己推導的舊方法外,
又提供了另一個更精細的方法來觀測等速直線運動:
"角速率時間參數式"
提供有興趣者參考

分拆成數樓,希望每段文章不要太長,以減低不熟悉推導讀者閱讀壓力
-------------------------------

前言
玩單眼後,有時追拍定速靠近的汽車,對焦在駕駛位置,車頭卻模糊情況
甚感困擾,難道一定要開高iso??
有時想要解析這現象,但幾天後又拋在腦後

等速直線運動是每人每天幾乎都會看到的普遍現象(馬路上汽機車,鐵路有火車)
但大部分人看到後,不會去深入研究這現象

但多年前還是學生時,就對此現象有好奇心
其角速率為何? 要如何分析? 就是要導出時間參數式
以前心血來潮隨便寫一寫式子,一看微分後式子會落落長無限制膨脹,
心想
雖這是宇宙中最簡單運動模式,但卻沒有一個簡單形式的觀測角速率時間參數式,
此時心裏就有一個聲音:"大自然並非都那麼巧妙的!"
然後就放棄了
直到去年四月看到jill1124大的一張照片,車頭拖曳非常長的線條,後面卻能凝結畫面
心想到底能否一次快門拍出來? 又燃起鬥志...
這次總算有結果
花幾天瑣碎時間,導出一解法

內容同前幾天又遇到類似的Case

請問各位前輩,這圖問題出在哪裡?

第14F本人回答文章,
該解法好不容易解出來
但說起來有些許缺憾
為何缺憾? 講之前,先把原文再複習一遍..
2018-06-11 21:36 發佈
觀測等速直線運動,角速率關係式
(極座標法:物理方法) (上次的解法)
因火車以等線速率v直線運動
分析圖如下
O:相機點,A:火車在在照片左邊緣點,A'為火車頭照片終點
分析圖

相對於觀測點:相機(有反無反皆好)O點來說
符合角動量守恆特性
dL/dt=0
所以L=r x p = m r v= constant
火車頭上某一質點m,由A到A'
令A為火車距相機最近點r,與火車軌跡垂直
L(A點) : r [mv cos(0)] = r m v
L(A'點) : r ' m v '
所以 rv= r'v'
r(wr)= r'(w' r')
(r^2)w=(r'^2)w'
w'/w= (r^2)/(r'^2)
又r'=r/cos(theta)
故 w'/w=cos(theta)^2
若有另一點A" 角度= theta"
A" 對 A'
則w"/w'=cos(theta")^2 / cos(theta)^2
所以
等速直線運動兩點之"角速率的比例"
為cos函數的"平方關係"的比例
cos其一歸在位移的倒數造成距離的倍數增長,造成角速率減少
cos另一則歸在A'點速度對O點的切向分量,造成角速率進一步減少
所以極座標來看距離拉遠對角速率的減少是"雙重效應"
---------------
反之距離拉近
角速率的增加
是cos函數平方比的"雙重效應"
故距離拉近,其角速率增加是以"平方增加的速度"來呈現!
舊法補充

驗證極座標法:角速率比的函數極值

w'/w=cos(theta)^2
d (w'/w) / d(theta)
= 2cos(theta) d(cos(theta))/d(theta)
=-2 cos(theta) sin(theta)
=-sin (2 theta)

d (w'/w) / d(theta) = -sin (2 theta) = 0
theta = 0 或π/2,

但theta永遠到不了π/2, 無限遠處角速率沒有極大值

所以最近點A點角速率最大= V/r

向遠方遞減

註:theta符號為θ,後面改用θ表示
缺憾:
極座標解法的誕生,是退而求其次plan B 的結果

那什麼是plan A?
就是原本一直想採用"直角坐標法"導出 "角速率時間參數式"

這是長久以來不時有想卻又不得不忘記的心願
去年四月那時,推導仍不得要領,式子無限膨帳,最後失敗投降!
網路上查不到,書本也不知從何查起?

從0到1的路~難走

眼看純幾何方法走投無路時,突然想到
那用力學方法來解如何?
就試著看看,
沒想到這Case竟符合角動量守恆
竟有進展,推導出:

等速直線運動下任兩點"角速率比",有"cos平方比"的關係。就是Plan B(極座標)法
拼出 Plan A

假日熱到昏,沒辦法出去拍照,
又想到了這缺憾:破解plan A
回到原本的初衷

直角坐標法該如何破解?

這次經過了多次計算失敗後

總算辛苦有了回報,達成突破性進展...

原來真的不難

多次失敗原因:
1.選取分析點錯誤,導致分析變得太複雜
2.沒有好好回味大一插班微積分!一連串計算錯誤

花了不少時間打WORD 的分式與次方符號 根號
如下圖 ( key Word後轉jpeg,沒想到解析度太差,改用GF7相機翻拍Word)







原來"大自然仍是那麼巧妙的"

等速直線運動的角速率時間參數式,依然是這麼簡潔有力,根本沒有無窮盡膨脹到算不出來的式子
還可以跟物理法的結果相對應與匹配
再次以θ =π/4

來對照舊法與新法兩式是否相符

物理法
W'/W = cos(π/4)^2= (1/√2)^2=1/2
W=v/r , W'= v/2r

數學法
θ =π/4,vt=r
w'= vr / (r^2 + (vt)^2)
=vr / (2 r^2)
=v / 2r

兩獨立方法算出的答案
皆為 1/2
老天爺是巧妙的

當行進到45度角的時候,角速率為
車子行進到觀測最近點時角速率(=v/r)的一半
總結:

1.近距拍行進中的車雖然很酷,透視感大很有張力,
但因過近,駕駛與車頭兩點角度差與距離比例差過大,車頭角速率相對駕駛角速率差過大,
車頭易模糊,導致快門大幅拉高,因為角速率的增加是以平方級的速度增加,
供有興趣拍火或是汽機車的人參考。

2.完全獨立的物理法與數學法的兩式能夠完全符合,代表兩式應推導正確。
數學法的角速率時間參數式,很簡潔,遠不如想像中複雜到算不出來。

3.以前早期的電視或電影的太空船飛行的電腦動畫,由近到遠太空船變小的速度看起來很假,
應該是沒用適當3D繪圖技術,導致角速率的變化看起來不符現實生活經驗,
也就是不符合"角速率時間參數式"。

4.說不定以後追焦拍照可由AI機器人代勞,觀測等速直線運動"角速率的時間參數式",
AI機器人追焦過程,雲台馬達的轉速,其時間參數式,大概可以w(t)= vr / (r^2 + (vt)^2)來描述。

5.固定式拍照系統(如固定式雷達測速照像)或許可參考所導出的"角速率的時間參數式",做為雷達測速系統的輔助校正系統。
簡單說明如下
當r=constant、相機到測定點距離r'=(r^2 + (vt)^2)^.5=Constant,
只要隨著t變化讀取馬達轉速w,就可判斷車速v,做為雷達測速的參考。
當"雷達系統"與"本系統"由馬達轉速與角度測得車速差距過大,兩系統其一可能失效。
elfwong wrote: 本樓主旨:
除了再次介紹上次在別樓分享自己推導的舊方法外,又提供了另一個更精細的方法來觀測等速直線運動:
"角速率時間參數式" 提供有興趣者參考...(恕刪)
有料好文。

要簡潔, 數學法子很清楚。 要易懂, 物理解釋好上手。 讚~
眾裡尋她千百度,驀然回首,依舊對我不屑一顧!!

splendors wrote:
有料好文。要簡潔,...(恕刪)


謝謝啦!
小弟辛苦有了回報
  • 3
內文搜尋
X
評分
評分
複製連結
Mobile01提醒您
您目前瀏覽的是行動版網頁
是否切換到電腦版網頁呢?