CurvG
螺线

欧拉螺线(回旋曲线)Euler spiral (clothoid)

曲率与弧长成正比的曲线:高速公路和铁路缓和曲线的形状。

调节参数

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公式与关键数值

参数方程
x=∫0tcos⁡πs22 dsx = \int_0^t \cos\frac{\pi s^2}{2}\,ds
y=∫0tsin⁡πs22 dsy = \int_0^t \sin\frac{\pi s^2}{2}\,ds
曲率
κ=πs\kappa = \pi s
两端卷向
(±12, ±12)\left(\pm\tfrac12,\ \pm\tfrac12\right)

t 是从中心量起的弧长;曲率公式里的 s 也是弧长。

讲解视频

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01 · 定义

什么是欧拉螺线(回旋曲线)?

欧拉在 1744 年研究弹性杆时遇到了这条曲线;描述它的是菲涅耳积分;1874 年 Marie Alfred Cornu 为研究衍射把它画了出来,所以它也叫 Cornu 螺线。它的定义性质很简单:曲率与沿曲线走过的距离成正比。

正因为这个性质,工程师叫它回旋曲线并到处使用:车以恒定速度沿它行驶时,方向盘以恒定速度转动,于是直路可以平顺地接入弯道,没有突兀的转向。铁路和高速公路的缓和曲线都是这条螺线的一段;两端分别卷向点 (±1/2, ±1/2)。

02 · 性质

关键性质

  1. 曲率与弧长成正比:在这种归一化下 κ = π·s。
  2. 参数 t 就是从中心量起的弧长。
  3. 坐标就是菲涅耳积分 C(t) 和 S(t)。
  4. 两端分别卷向点 (1/2, 1/2) 和 (−1/2, −1/2)。
  5. 用作直线段与圆弧之间的缓和曲线。

03 · 问答

关于欧拉螺线(回旋曲线)的常见问题

欧拉螺线(回旋曲线)的方程是什么?
参数方程:x = int₀^t cos (π s^2)/2 ds,y = int₀^t sin (π s^2)/2 ds。t 是从中心量起的弧长;曲率公式里的 s 也是弧长。

04 · 继续探索