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。
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公式与关键数值
- 参数方程
- 曲率
- 两端卷向
t 是从中心量起的弧长;曲率公式里的 s 也是弧长。
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
- 曲率与弧长成正比:在这种归一化下 κ = π·s。
- 参数 t 就是从中心量起的弧长。
- 坐标就是菲涅耳积分 C(t) 和 S(t)。
- 两端分别卷向点 (1/2, 1/2) 和 (−1/2, −1/2)。
- 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