4587:
3913:
3607:
4286:
4934:
3625:
3319:
2081:
4592:
4582:{\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\dot {\hat {r}}}}&={\dot {\theta }}{\boldsymbol {\hat {\theta }}}+{\dot {\phi }}\sin \theta {\boldsymbol {\hat {\phi }}}\\{\boldsymbol {\dot {\hat {\theta }}}}&=-{\dot {\theta }}{\boldsymbol {\hat {r}}}+{\dot {\phi }}\cos \theta {\boldsymbol {\hat {\phi }}}\\{\boldsymbol {\dot {\hat {\phi }}}}&=-{\dot {\phi }}\sin \theta {\boldsymbol {\hat {r}}}-{\dot {\phi }}\cos \theta {\boldsymbol {\hat {\theta }}}\end{aligned}}}
912:
1747:
4281:
1343:
3908:{\displaystyle {\begin{bmatrix}\mathbf {\hat {x}} \\\mathbf {\hat {y}} \\\mathbf {\hat {z}} \end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\sin \theta \cos \phi &\cos \theta \cos \phi &-\sin \phi \\\sin \theta \sin \phi &\cos \theta \sin \phi &\cos \phi \\\cos \theta &-\sin \theta &0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\boldsymbol {\hat {r}}}\\{\boldsymbol {\hat {\theta }}}\\{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\end{bmatrix}}}
3602:{\displaystyle {\begin{bmatrix}{\boldsymbol {\hat {r}}}\\{\boldsymbol {\hat {\theta }}}\\{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\sin \theta \cos \phi &\sin \theta \sin \phi &\cos \theta \\\cos \theta \cos \phi &\cos \theta \sin \phi &-\sin \theta \\-\sin \phi &\cos \phi &0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {\hat {x}} \\\mathbf {\hat {y}} \\\mathbf {\hat {z}} \end{bmatrix}}}
687:
393:
4929:{\displaystyle \mathbf {\dot {A}} ={\boldsymbol {\hat {r}}}\left({\dot {A}}_{r}-A_{\theta }{\dot {\theta }}-A_{\phi }{\dot {\phi }}\sin \theta \right)+{\boldsymbol {\hat {\theta }}}\left({\dot {A}}_{\theta }+A_{r}{\dot {\theta }}-A_{\phi }{\dot {\phi }}\cos \theta \right)+{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\left({\dot {A}}_{\phi }+A_{r}{\dot {\phi }}\sin \theta +A_{\theta }{\dot {\phi }}\cos \theta \right)}
4059:
1516:
1723:
1119:
2369:
22:
3006:
2076:{\displaystyle \mathbf {\ddot {A}} =\mathbf {\hat {\rho }} \left({\ddot {A}}_{\rho }-A_{\phi }{\ddot {\phi }}-2{\dot {A}}_{\phi }{\dot {\phi }}-A_{\rho }{\dot {\phi }}^{2}\right)+{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\left({\ddot {A}}_{\phi }+A_{\rho }{\ddot {\phi }}+2{\dot {A}}_{\rho }{\dot {\phi }}-A_{\phi }{\dot {\phi }}^{2}\right)+\mathbf {\hat {z}} {\ddot {A}}_{z}}
3314:
682:
1350:
1523:
2184:
907:{\displaystyle {\begin{bmatrix}\mathbf {\hat {\rho }} \\{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\\\mathbf {\hat {z}} \end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\cos \phi &\sin \phi &0\\-\sin \phi &\cos \phi &0\\0&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {\hat {x}} \\\mathbf {\hat {y}} \\\mathbf {\hat {z}} \end{bmatrix}}}
2751:
388:
4276:{\displaystyle \mathbf {\dot {A}} ={\dot {A}}_{r}{\boldsymbol {\hat {r}}}+A_{r}{\boldsymbol {\dot {\hat {r}}}}+{\dot {A}}_{\theta }{\boldsymbol {\hat {\theta }}}+A_{\theta }{\boldsymbol {\dot {\hat {\theta }}}}+{\dot {A}}_{\phi }{\boldsymbol {\hat {\phi }}}+A_{\phi }{\boldsymbol {\dot {\hat {\phi }}}}}
3147:
1338:{\displaystyle {\dot {\mathbf {A} }}={\dot {A}}_{\rho }{\hat {\boldsymbol {\rho }}}+A_{\rho }{\dot {\hat {\boldsymbol {\rho }}}}+{\dot {A}}_{\phi }{\hat {\boldsymbol {\phi }}}+A_{\phi }{\dot {\hat {\boldsymbol {\phi }}}}+{\dot {A}}_{z}{\hat {\boldsymbol {z}}}+A_{z}{\dot {\hat {\boldsymbol {z}}}}}
3140:
1112:
515:
4054:
504:
230:
1511:{\displaystyle {\begin{aligned}{\dot {\hat {\mathbf {\rho } }}}&={\dot {\phi }}{\hat {\boldsymbol {\phi }}}\\{\dot {\hat {\boldsymbol {\phi }}}}&=-{\dot {\phi }}{\hat {\mathbf {\rho } }}\\{\dot {\hat {\mathbf {z} }}}&=0\end{aligned}}}
1718:{\displaystyle {\dot {\mathbf {A} }}={\hat {\boldsymbol {\rho }}}\left({\dot {A}}_{\rho }-A_{\phi }{\dot {\phi }}\right)+{\hat {\boldsymbol {\phi }}}\left({\dot {A}}_{\phi }+A_{\rho }{\dot {\phi }}\right)+{\hat {\mathbf {z} }}{\dot {A}}_{z}}
2364:{\displaystyle {\ddot {\mathbf {P} }}=\mathbf {\hat {\rho }} \left({\ddot {\rho }}-\rho {\dot {\phi }}^{2}\right)+{\boldsymbol {\hat {\phi }}}\left(\rho {\ddot {\phi }}+2{\dot {\rho }}{\dot {\phi }}\right)+\mathbf {\hat {z}} {\ddot {z}}}
3011:
2176:
3001:{\displaystyle {\begin{bmatrix}r\\\theta \\\phi \end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}\\\arccos(z/{\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}})\\\arctan(y/x)\end{bmatrix}},\ \ \ 0\leq \theta \leq \pi ,\ \ \ 0\leq \phi <2\pi ,}
978:
3928:
2589:
3309:{\displaystyle \mathbf {A} =A_{x}\mathbf {\hat {x}} +A_{y}\mathbf {\hat {y}} +A_{z}\mathbf {\hat {z}} =A_{r}{\boldsymbol {\hat {r}}}+A_{\theta }{\boldsymbol {\hat {\theta }}}+A_{\phi }{\boldsymbol {\hat {\phi }}}}
2527:
2477:
402:
677:{\displaystyle \mathbf {A} =A_{x}\mathbf {\hat {x}} +A_{y}\mathbf {\hat {y}} +A_{z}\mathbf {\hat {z}} =A_{\rho }\mathbf {\hat {\rho }} +A_{\phi }{\boldsymbol {\hat {\phi }}}+A_{z}\mathbf {\hat {z}} }
2417:
4291:
1355:
2636:
973:
383:{\displaystyle {\begin{bmatrix}\rho \\\phi \\z\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}\\\operatorname {arctan} (y/x)\\z\end{bmatrix}},\ \ \ 0\leq \phi <2\pi ,}
95:
119:
2115:
4944:
3135:{\displaystyle {\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}r\sin \theta \cos \phi \\r\sin \theta \sin \phi \\r\cos \theta \end{bmatrix}}.}
1107:{\displaystyle {\dot {\mathbf {A} }}={\dot {A}}_{x}{\hat {\mathbf {x} }}+{\dot {A}}_{y}{\hat {\mathbf {y} }}+{\dot {A}}_{z}{\hat {\mathbf {z} }}}
2538:
4049:{\displaystyle \mathbf {\dot {A}} ={\dot {A}}_{x}\mathbf {\hat {x}} +{\dot {A}}_{y}\mathbf {\hat {y}} +{\dot {A}}_{z}\mathbf {\hat {z}} }
3925:
To find out how the vector field A changes in time, the time derivatives should be calculated. In
Cartesian coordinates this is simply:
2488:
2428:
2381:
499:{\displaystyle {\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\rho \cos \phi \\\rho \sin \phi \\z\end{bmatrix}}.}
5001:
2600:
4996:
143:
947:
2745:
2674:
222:
129:
axis. Several other definitions are in use, and so care must be taken in comparing different sources.
2654:
941:
1741:
1737:
4956:
3612:
2650:
1744:
systems. The second time derivative of a vector field in cylindrical coordinates is given by:
921:
917:
80:
4979:
2171:{\displaystyle \mathbf {A} =\mathbf {P} =\rho \mathbf {\hat {\rho }} +z\mathbf {\hat {z}} }
104:
2658:
4990:
509:
392:
101:
axis and the radius vector connecting the origin to the point in question, while
77:
Note: This page uses common physics notation for spherical coordinates, in which
4952:
3622:
The
Cartesian unit vectors are thus related to the spherical unit vectors by:
940:
changes in time, the time derivatives should be calculated. For this purpose
4960:
3616:
925:
684:
The cylindrical unit vectors are related to the
Cartesian unit vectors by:
21:
4948:
4283:
The time derivatives of the unit vectors are needed. They are given by:
3316:
The spherical unit vectors are related to the
Cartesian unit vectors by:
2702:
is the angle between the positive Z-axis and the vector in question (0 ≤
2584:{\displaystyle 2{\dot {\rho }}{\dot {\phi }}{\boldsymbol {\hat {\phi }}}}
1347:
The time derivatives of the unit vectors are needed. They are given by:
1733:
391:
121:
is the angle between the projection of the radius vector onto the
50:
20:
3144:
Any vector field can be written in terms of the unit vectors as:
2522:{\displaystyle \rho {\ddot {\phi }}{\boldsymbol {\hat {\phi }}}}
18:
Vector field representation in 3D curvilinear coordinate systems
2472:{\displaystyle -\rho {\dot {\phi }}^{2}\mathbf {\hat {\rho }} }
66:
58:
2716:
is the angle between the projection of the vector onto the
175:
is the angle between the projection of the vector onto the
2373:
In mechanics, the terms of this expression are called:
3850:
3697:
3634:
3544:
3391:
3328:
3056:
3020:
2796:
2760:
2412:{\displaystyle {\ddot {\rho }}\mathbf {\hat {\rho }} }
849:
759:
696:
447:
411:
275:
239:
4595:
4289:
4062:
3931:
3628:
3322:
3150:
3014:
2754:
2603:
2541:
2491:
2431:
2384:
2187:
2118:
1750:
1526:
1353:
1122:
981:
950:
690:
518:
405:
233:
107:
83:
4928:
4581:
4275:
4048:
3907:
3601:
3308:
3134:
3000:
2630:
2583:
2521:
2471:
2411:
2363:
2170:
2075:
1717:
1510:
1337:
1116:However, in cylindrical coordinates this becomes:
1106:
967:
906:
676:
498:
382:
113:
89:
4823:
4720:
4617:
4569:
4533:
4485:
4467:
4431:
4392:
4374:
4338:
4302:
4262:
4235:
4196:
4169:
4130:
4103:
4040:
4006:
3972:
3891:
3875:
3859:
3675:
3659:
3643:
3585:
3569:
3553:
3369:
3353:
3337:
3300:
3275:
3250:
3225:
3200:
3175:
2622:
2575:
2513:
2463:
2403:
2343:
2273:
2211:
2162:
2144:
2048:
1910:
1772:
890:
874:
858:
737:
721:
705:
668:
643:
618:
593:
568:
543:
4056:However, in spherical coordinates this becomes:
512:can be written in terms of the unit vectors as:
165:is the length of the vector projected onto the
2631:{\displaystyle {\ddot {z}}\mathbf {\hat {z}} }
1732:The second time derivative is of interest in
8:
4945:Del in cylindrical and spherical coordinates
975:). In Cartesian coordinates this is simply:
4901:
4900:
4894:
4867:
4866:
4860:
4847:
4836:
4835:
4818:
4817:
4789:
4788:
4782:
4764:
4763:
4757:
4744:
4733:
4732:
4715:
4714:
4686:
4685:
4679:
4661:
4660:
4654:
4641:
4630:
4629:
4612:
4611:
4597:
4596:
4594:
4564:
4563:
4543:
4542:
4528:
4527:
4507:
4506:
4480:
4478:
4477:
4462:
4461:
4441:
4440:
4426:
4425:
4414:
4413:
4387:
4385:
4384:
4369:
4368:
4348:
4347:
4333:
4332:
4321:
4320:
4297:
4295:
4294:
4290:
4288:
4257:
4255:
4254:
4248:
4230:
4229:
4223:
4212:
4211:
4191:
4189:
4188:
4182:
4164:
4163:
4157:
4146:
4145:
4125:
4123:
4122:
4116:
4098:
4097:
4091:
4080:
4079:
4064:
4063:
4061:
4035:
4034:
4028:
4017:
4016:
4001:
4000:
3994:
3983:
3982:
3967:
3966:
3960:
3949:
3948:
3933:
3932:
3930:
3886:
3885:
3870:
3869:
3854:
3853:
3845:
3692:
3670:
3669:
3654:
3653:
3638:
3637:
3629:
3627:
3580:
3579:
3564:
3563:
3548:
3547:
3539:
3386:
3364:
3363:
3348:
3347:
3332:
3331:
3323:
3321:
3295:
3294:
3288:
3270:
3269:
3263:
3245:
3244:
3238:
3220:
3219:
3213:
3195:
3194:
3188:
3170:
3169:
3163:
3151:
3149:
3051:
3015:
3013:
2919:
2892:
2879:
2866:
2860:
2855:
2831:
2818:
2805:
2799:
2791:
2755:
2753:
2617:
2616:
2605:
2604:
2602:
2570:
2569:
2558:
2557:
2546:
2545:
2540:
2508:
2507:
2496:
2495:
2490:
2458:
2457:
2451:
2440:
2439:
2430:
2398:
2397:
2386:
2385:
2383:
2350:
2349:
2338:
2337:
2318:
2317:
2306:
2305:
2288:
2287:
2268:
2267:
2253:
2242:
2241:
2223:
2222:
2206:
2205:
2191:
2189:
2188:
2186:
2181:After substituting, the result is given:
2157:
2156:
2139:
2138:
2127:
2119:
2117:
2067:
2056:
2055:
2043:
2042:
2028:
2017:
2016:
2009:
1991:
1990:
1984:
1973:
1972:
1954:
1953:
1947:
1934:
1923:
1922:
1905:
1904:
1890:
1879:
1878:
1871:
1853:
1852:
1846:
1835:
1834:
1816:
1815:
1809:
1796:
1785:
1784:
1767:
1766:
1752:
1751:
1749:
1709:
1698:
1697:
1685:
1683:
1682:
1663:
1662:
1656:
1643:
1632:
1631:
1614:
1613:
1594:
1593:
1587:
1574:
1563:
1562:
1545:
1544:
1530:
1528:
1527:
1525:
1478:
1476:
1474:
1473:
1458:
1456:
1455:
1444:
1443:
1417:
1415:
1414:
1399:
1398:
1387:
1386:
1363:
1361:
1359:
1358:
1354:
1352:
1319:
1317:
1316:
1310:
1292:
1291:
1285:
1274:
1273:
1253:
1251:
1250:
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1225:
1219:
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1207:
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1185:
1184:
1178:
1160:
1159:
1153:
1142:
1141:
1126:
1124:
1123:
1121:
1093:
1091:
1090:
1084:
1073:
1072:
1057:
1055:
1054:
1048:
1037:
1036:
1021:
1019:
1018:
1012:
1001:
1000:
985:
983:
982:
980:
954:
952:
951:
949:
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884:
869:
868:
853:
852:
844:
754:
732:
731:
716:
715:
700:
699:
691:
689:
663:
662:
656:
638:
637:
631:
613:
612:
606:
588:
587:
581:
563:
562:
556:
538:
537:
531:
519:
517:
442:
406:
404:
321:
297:
284:
278:
270:
234:
232:
106:
82:
4980:Wolfram Mathworld, spherical coordinates
2375:
1728:Second time derivative of a vector field
4972:
4820:
4717:
4614:
4566:
4530:
4482:
4464:
4428:
4389:
4371:
4335:
4299:
4259:
4232:
4193:
4166:
4127:
4100:
3888:
3872:
3856:
3366:
3350:
3334:
3297:
3272:
3247:
2572:
2510:
2270:
1907:
1616:
1547:
1419:
1401:
1321:
1294:
1255:
1228:
1189:
1162:
718:
640:
1520:So the time derivative simplifies to:
944:will be used for the time derivative (
3615:, that is, its inverse is simply its
968:{\displaystyle {\dot {\mathbf {A} }}}
7:
2720:-plane and the positive X-axis (0 ≤
4589:Thus the time derivative becomes:
14:
3921:Time derivative of a vector field
936:To find out how the vector field
932:Time derivative of a vector field
4602:
4599:
4490:
4397:
4307:
4267:
4201:
4135:
4069:
4066:
4037:
4003:
3969:
3938:
3935:
3672:
3656:
3640:
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3566:
3550:
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3172:
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955:
887:
871:
855:
734:
665:
590:
565:
540:
520:
2085:To understand this expression,
4963:in various coordinate systems.
2927:
2913:
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2849:
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1026:
329:
315:
1:
2421:central outward acceleration
133:Cylindrical coordinate system
2696:is the length of the vector,
2664:Spherical coordinate system
69:) is often used instead of
5018:
2648:
4947:for the specification of
2481:centripetal acceleration
97:is the angle between the
3611:Note: the matrix is an
2673:Vectors are defined in
916:Note: the matrix is an
144:cylindrical coordinates
142:Vectors are defined in
90:{\displaystyle \theta }
53:), and azimuthal angle
25:Spherical coordinates (
4930:
4583:
4277:
4050:
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3310:
3136:
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1719:
1512:
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969:
908:
678:
500:
396:
384:
115:
91:
74:
37:) as commonly used in
4931:
4584:
4278:
4051:
3910:
3604:
3311:
3137:
3003:
2746:Cartesian coordinates
2675:spherical coordinates
2633:
2586:
2531:angular acceleration
2524:
2474:
2414:
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2173:
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909:
679:
501:
395:
385:
223:Cartesian coordinates
116:
114:{\displaystyle \phi }
92:
24:
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4060:
3929:
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2752:
2655:Angular acceleration
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2116:
1748:
1742:classical mechanical
1736:, as it is found in
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1120:
979:
948:
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516:
403:
231:
105:
81:
2089:is substituted for
1738:equations of motion
183:) and the positive
5002:Coordinate systems
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4577:
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1506:
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111:
87:
75:
41:: radial distance
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3613:orthogonal matrix
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3008:or inversely by:
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2651:Centripetal force
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1045:
1029:
1009:
993:
962:
942:Newton's notation
918:orthogonal matrix
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399:or inversely by:
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2112:This means that
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