1654 字
8 分钟
关于角速度的一些笔记

引言#

在一般的力学中,角速度是一个比较奇怪的物理量,第一点:二维平面内的角速度的方向不在二维平面内;第二点:角速度和速度、位移这一些矢量不同,它在空间反演之后是不变的。这一些特殊的性质也预示了角速度确实有一些不同之处,这一篇文章将会简单讨论角速度是怎么来的。

旋转#

要想知道什么是角速度,我们必须先定义清楚什么是旋转,对于二维平面内的转动,我们可以使用一个简单的矩阵描述:

R=[cos⁡θsin⁡θ−sin⁡θcos⁡θ]R = \begin{bmatrix} \cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{bmatrix}

旋转之后的物体坐标表示为( x{}x{} 是一个列矢量):

x~=Rx\tilde{x} = R x

这个结果十分自然,但是我们需要从更深层次的角度看旋转。

旋转较于其他的空间变换,其不会改变物体的几何形状,也就是说物体的体积、形状都不发生改变,那么就可以得到一个事实:一根线在旋转之后不会改变其长度,我们取线元作为这一根线,线元的长度表示为:

ds2=dx2+dy2+dz2\mathrm{d}s^2 = \mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2

或者我们引入张量来表示:

ds2=δijdxidxj\mathrm{d}s^2 = \delta_{ij}\mathrm{d}x^{i}\mathrm{d}x^{j}

我们在之前写到的物体坐标变换中取微分:

dx~j=Rijdxi\mathrm{d}\tilde{x}^{j} = R^j_{i} \mathrm{d}x^i

然后我们把变换之后的微分代入线元的表达式中:

ds~2=ds2=δijdxidxj=δijRmiRnjdxmdxn\mathrm{d}\tilde{s}_{2} = \mathrm{d}s^2 = \delta_{ij}\mathrm{d}x^i\mathrm{d}x^j = \delta_{ij}R^i_{m}R^j_{n}\mathrm{d}x^m\mathrm{d}x^n

于是我们就得到了:

δmn=δijRmiRnj\delta_{mn} = \delta_{ij}R_{m}^iR_{n}^j

那么我们可以看出来旋转矩阵是一个正交矩阵:

RmjRnj=δmnR_{m}^jR^j_{n} = \delta_{mn}

另外如果我们使用微分几何的观点来看,转动是一个保度规的坐标变换,比如在欧氏空间中的度规是 diag(1,1,1)\text{diag}(1,1,1) 转动过后度规还是 diag(1,1,1)\text{diag}(1,1,1) ,这正是旋转矩阵是一个正交矩阵的表现。

有限大的旋转#

对于有限大的旋转,明显旋转的次序是不能发生调换,因为矩阵乘法不满足交换律,但是我们可以将一个有限大的旋转分成无限多的小转动,具体表现在把转动的角度分成无限小份:

ϕ=lim⁡N→∞φN\phi = \lim_{ N \to \infty } \frac{\varphi}{N}

无限小的旋转#

无限小的旋转和有限小旋转的性质不完全相同,但是可以通过无限小旋转的累积等价得到有限小旋转。

前文已经写到:

x~i=Rijxj\tilde{x}_{i} = R_{ij}x_{j}

两边同时减去 dxi\mathrm{d}x_{i} ,可以得到:

x~i−xi=(Rij−δij)xi\tilde{x}_{i}-x_{i} = (R_{ij}-\delta_{ij})x_{i}

我们得到了位矢的变化量,其中得到了一个新的矩阵,它描述了位矢与原坐标的微元线性关系,这个矩阵相当于是一个微小量,其代表了小量转动:

Φij=Rij−δij\Phi_{ij} = R_{ij} - \delta_{ij}

前文讲到旋转矩阵必须是一个正交矩阵那么这里我们代入进去看:

RijRik=δjk=(δij+Φij)(δik+Φik)=δijδik+Φkj+Φjk+ΦijΦikR_{ij}R_{ik} = \delta_{jk} = (\delta_{ij} + \Phi_{ij})(\delta_{ik} + \Phi_{ik}) = \delta_{ij}\delta_{ik}+ \Phi_{kj} + \Phi_{jk} + \Phi_{ij}\Phi_{ik}

略去二阶小量,我们可以发现,无限小转动矩阵是一个反对称矩阵:

Φkj+Φjk=0\Phi_{kj} + \Phi_{jk} = 0

那么我们可以得到一个结论:对于一个微小转动矩阵,总是可以分解成一个反对称矩阵和单位矩阵。

另外,得益于我们对于旋转的线性化处理,无限小旋转可以直接进行累加并且可以交换次序,比如我们有两个微小转动矩阵 AA、BB,我们计算对易子 [A,B]=AB−BA[A,B] = AB - BA,得到:

(1+ΦA)(1+ΦB)−(1+ΦB)(1+ΦA)=O(ϕ2)(\mathbf{1}+\Phi_{A})(\mathbf{1}+\Phi_{B}) - (\mathbf{1}+\Phi_{B})(\mathbf{1}+\Phi_{A}) = \mathcal{O}(\phi^2)

当我们忽略二阶小量,就得到了其对易子等于00,也就说无限小转动可以调换次序而不影响结果。

角速度#

铺垫了那么多,最终我们会发现:

vi=dxidt=(Rij−δij)xjv_{i} = \frac{\mathrm{d}x_{i}}{\mathrm{d}t} = (R_{ij}-\delta_{ij})x_{j}

这个和我们常见的速度表达式类似:

v=ω×r\mathbf{v} = \omega \times \mathbf{r}

但是在三维空间中,角速度通常是一个三维矢量,而非一个反对称矩阵。

此处我们介绍对偶矢量,在三维空间中,一个反对称矩阵共有 3 个独立变量,而一个三维矢量也恰好有三个分量,这是一个惊人的巧合,因为这个巧合我们就可以使用一个三维矢量(角速度矢量)来代替繁琐的角速度矩阵,我们设反对称矩阵为 Φ\Phi,与其对偶的矢量为ω\omega

我们可以这样取映射(是为了满足叉乘的定义):

ωi=−12εijkΦjk\omega _{i} = -\frac{1}{2}\varepsilon_{ijk}\Phi_{jk}

最后我们得到:

ω1=−Φ23ω2=−Φ31ω3=−Φ12\begin{align} \omega_{1} = -\Phi_{23} \\ \omega_{2} = -\Phi_{31} \\ \omega_{3} = -\Phi_{12} \end{align}

也就是说我们从一个反对称矩阵计算出了一个三维矢量,这个矢量恰好是我们的角速度。

此处取这样的映射其实是有原因的,目的在于满足

v=ω×r\mathbf{v} = \omega \times \mathbf{r}

写成张量形式:

vi=εijkωjxkv_{i} = \varepsilon_{ijk}\omega_{j}x_{k}

前文已经写到:

vi=Φijxjv_{i} = \Phi_{ij}x_{j}

因为反对称性质 Φij=−Φji\Phi_{ij} = -\Phi_{ji},我们需要构造出角速度矢量来满足这个叉乘关系:

εijkωj=Φik\varepsilon_{ijk}\omega _{j} = \Phi_{ik}

两边同时乘以εijk\varepsilon_{ijk},最后得到:

2ωj=εijkΦik=−εjikΦik2\omega_{j} = \varepsilon_{ijk}\Phi_{ik} = -\varepsilon_{jik}\Phi_{ik}

这便是我们之前给出的构造方案,这个构造方案完美适配三维空间矢量叉乘,这让我们对于旋转的计算大大简化。

最后我们给出角速度矢量和角速度矩阵的对应关系:

Ω=[Ω1Ω2Ω3],[Ω]=[0−Ω3Ω2Ω30−Ω1−Ω2Ω10]\Omega = \begin{bmatrix} \Omega _{1} \\ \Omega_{2} \\ \Omega_{3} \end{bmatrix},\quad [\Omega ] = \begin{bmatrix} 0 & -\Omega _{3} & \Omega _{2} \\ \Omega _{3}&0&-\Omega _{1} \\ -\Omega _{2}&\Omega_{1}&0 \end{bmatrix}

小角度的累积#

此前有讲到可以将小角度的转动进行累加得到有限大的转动,具体是使用指数运算实现,比如在二维空间中的小角度转动可以写成:

Φ=[0ϕ−ϕ0]=ϕ[01−10]\Phi = \begin{bmatrix} 0 & \phi \\ -\phi & 0 \end{bmatrix} = \phi \begin{bmatrix} 0&1 \\ -1&0 \end{bmatrix}

最后的反对称矩阵称为李代数的基,如果我们考虑累积:

lim⁡N→∞(1+φNJ)N=eφJ\lim_{ N \to \infty } \left( \mathbf{1} + \frac{\varphi}{N}J \right)^N = e^{\varphi J}

我们可以使用泰勒展开计算,最后得到:

eφJ=[cos⁡φsin⁡φ−sin⁡φcos⁡φ]e^{\varphi J} = \begin{bmatrix} \cos \varphi & \sin \varphi \\ -\sin \varphi & \cos \varphi \end{bmatrix}

这就是二维平面的旋转矩阵,和我们之前计算出的结果如出一辙,如果扩展到三维空间,那么就需要扩充李代数的基,但本质还是一样的。

结尾#

这篇文章简单讲解了什么是角速度矩阵、角速度矢量是怎么来的等问题,或许我应该再写一篇文章讲一讲什么是张量运算。

关于角速度的一些笔记
https://fuwari.bianwenzhao.workers.dev/posts/classical-mechanics/关于角速度的一些笔记/
作者
Siesta
发布于
2026-09-22
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0