在微分几何中,
曲率的
倒数就是曲率半径,即R=1/K。平面曲线的曲率就是针对曲线上某个点的
切线方向角对
弧长的转动率,通过
微分来定义,表明曲线偏离直线的程度。对于曲线,它等于最接近该点处曲线的圆弧的半径。 对于表面,曲率半径是最适合正常截面或其组合的圆的半径。
简介
在微分几何中,
曲率的
倒数就是曲率半径,即R=1/K。平面曲线的曲率就是针对曲线上某个点的
切线方向角对
弧长的转动率,通过
微分来定义,表明曲线偏离直线的程度。对于曲线,它等于最接近该点处曲线的圆弧的半径。 对于表面,曲率半径是最适合正常截面或其组合的圆的半径。
曲率半径主要是用来描述曲线上某处曲线弯曲变化的程度,特殊的如:圆上各个地方的弯曲程度都是一样的故曲率半径就是该圆的半径;直线不弯曲 ,和直线在该点相切的圆的半径可以任意大,所以曲率是0,故直线没有曲率半径,或记曲率半径为 。
圆形半径越大,弯曲程度就越小,也就越近似于一条直线。所以说,曲率半径越大曲率越小,反之亦然。
如果对于某条曲线上的某个点可以找到一个与其曲率相等的圆形,那么曲线上这个点的曲率半径就是该圆形的半径(注意,是这个点的曲率半径,其他点有其他的曲率半径)。也可以这样理解:就是把那一段曲线尽可能地微分,直到最后近似为一个圆弧,此圆弧所对应的半径即为曲线上该点的曲率半径。
公式推导
在空间曲线的情况下,曲率半径是曲率向量的长度。在平面曲线的情况下,则R要取绝对值。
其中s是曲线上固定点的弧长,α是切向角,K是曲率。
如果曲线以笛卡尔坐标表示为 ,则曲率半径为(假设曲线可微分)
如果曲线由函数 和 参数给出,则曲率为
如果 是 中的参数曲线,则曲线各点处的曲率半径 由下式给出:
作为特殊情况,如果f(t)是从R到R的函数,则其图的曲率半径γ(t)=(t,f(t))是
举例
半圆圈
对于上半平面半径a的半圆:
对于上半平面半径a的半圆:
半径a的圆的曲率半径等于a。
椭圆
在具有长轴2a和短轴2b的椭圆中,长轴上的顶点具有任何点的最小曲率半径, ;
并且短轴上的顶点具有任何点的最大曲率半径 。
应用
曲率半径的概念及其应用非常广泛,在透镜成像、机械加工零件、公路和铁路弯道设计施工中都有其重要地位。
(1)对于差分几何上的应用,请参阅Cesàro方程;
(2)对于地球的曲率半径(由椭圆椭圆近似),请参见地球的曲率半径;
(3)曲率半径也用于梁的弯曲三部分方程中;
(4)曲率半径(光学)。
(5)半导体结构中的应力:
涉及蒸发薄膜的半导体结构中的应力通常来自制造过程中的热膨胀(热应力)。发生热应力是因为膜沉积通常在室温以上。在从沉积温度冷却至室温时,基板和膜的热膨胀系数的差异引起热应力。
当原子沉积在基底上时,由薄膜中形成的微观结构引起固有应力。由于原子穿过空隙有吸引力的相互作用,薄膜中的微孔产生拉伸应力。
薄膜半导体结构中的应力导致晶片的翘曲。应力结构的曲率半径与结构中的应力张量有关,可以用修正的Stoney公式来描述。可以使用光学扫描仪测量包括曲率半径的应力结构的形貌。现代扫描仪工具具有测量基板全貌和测量两个主曲率半径的能力,同时为90米及以上的曲率半径提供0.1%的精度。