曲率

表明曲線偏離直線的程度

曲線的曲率(curvature)就是針對曲線上某個點的切線方向角對弧長的轉動率,通過微分來定義,表明曲線偏離直線的程度。數學上表明曲線在某一點的彎曲程度的數值。

曲率越大,表示曲線的彎曲程度越大。曲率的倒數就是曲率半徑

定義


弧的切線轉角與該弧長之比的絕對值稱作該弧的平均曲率,記作
當沿曲線L趨向於M時,若弧的平均曲率的極限存在,則稱此極限為曲線L在點M處的曲率,記作K,即或。

計算公式


設曲線的直接坐標方程為,且具有二階導數,曲線在點M處的切線的斜率為,所以
又,故曲線L在M點處的曲率為
設曲線是由參數方程給出,利用參數方程求導法可得

曲率圓與曲率半徑


曲線上點M處的曲率的倒數,稱作曲線在這點處的曲率半徑,記作,則
在點M處曲線的法線的某一側上取一點D,使,並以D為圓心,以為半徑作圓。把這個圓稱作曲線在M處的曲率圓,把圓心D稱做曲線在M處的曲率中心。
曲率圓具有以下性質:
(1)曲率圓與曲線在點M處有共同的切線和曲率;
(2)在點M鄰近與曲線有相同的凹向;
因此,在實際工程設計問題中,常用曲率圓在點M鄰近的一段圓弧來近似代替曲線弧,以使問題簡化。

意義


曲率
曲率
曲率是幾何體不平坦程度的一種衡量。平坦對不同的幾何體有不同的意義。
本文考慮基本的情況,歐幾里得空間中的曲線和曲面的曲率。一般意義下的曲率,請參照曲率張量。
在動力學中,一般的,一個物體相對於另一個物體做變速運動時也會產生曲率。這是關於時空扭曲造成的。結合廣義相對論等效原理,變速運動的物體可以看成處於引力場當中,因而產生曲率。
按照廣義相對論的解釋,在引力場中,時空的性質是由物體的“質量”分佈決定的,物體“質量”的分佈狀況使時空性質變得不均勻,引起了時空的彎曲。因為一個物體有質量就會對時空造成彎曲,而你可以認為有了速度,有質量的物體變得更重了,時空彎曲的曲率就更大了。
在物理中,曲率通常通過法向加速度向心加速度)來求,具體請參見法向加速度。