剛體與連續體力學
隨體座標系(body-fixed frame)
隨體座標系(body-fixed frame)是一組被畫在剛體本身上的座標軸,因此它們會隨著物體一起旋轉與翻滾。若你在旋轉的陀螺上黏一組小小的 x-y-z 箭頭,那些箭頭就是本體座標系。從這個座標系內部看,物體永遠不動——每個原子都待在固定的座標上——而外在世界看起來則在旋轉。
它的全部重點在於:在本體座標系中質量分布是固定的,因此慣量張量是一個固定的數字矩陣,而非隨時間變化的量。它幾乎總是被錨定在質心並與主軸對齊,使慣量張量成為對角形式。但要注意的是,本體座標系是非慣性的(它以角速度 omega 旋轉),因此對任何向量 A,時間導數都必須用規則 (dA/dt)_space = (dA/dt)_body + omega x A 來轉換。正是這條規則把牛頓的轉動定律變成尤拉方程式。
每當你追蹤一個真實的旋轉物體時就會用到本體座標系——衛星、陀螺儀、分子。它的取捨是誠實的簿記:這個座標系讓慣量張量變簡單,但座標系本身在加速,因此虛擬(離心與科氏)效應會透過 omega x A 這一項進入。要還原實驗室觀測者所見的方位,你要用尤拉角把本體座標系與空間座標系組合起來。
國際太空站攜帶本體座標系的陀螺儀,並在一個固定於站體結構的座標系中計算其姿態。它的導引軟體不斷在該本體座標系與一個固定於恆星的慣性座標系之間換算,以得知太陽能板朝向何方。
在本體座標系中慣量張量為常數;代價則是一個旋轉的非慣性座標系。
只有當原點取在質心或固定支點時,本體座標系與慣性(空間)座標系才共用同一原點;否則你還必須追蹤平移。把在這兩個座標系中量得的量搞混,是剛體問題中最常見的單一錯誤。
又称
另见