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Eulersche WinkelEulersche Winkel oder auch Eulerwinkel sind eine Möglichkeit zur Beschreibung der Orientierung (Winkellage) von Objekten im dreidimensionalen Raum. Es handelt sich um drei Winkel, welche jeweils eine Drehung (Rotation) um bestimmte Achsen beschreiben und so eine Transformation zwischen zwei (kartesischen) Koordinatensystemen, dem Laborsystem und dem körperfesten System, definieren. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
DefinitionEs existieren verschiedene Definitionen für die Eulerschen Winkel, die sich in der Wahl der Drehachsen unterscheiden. Von insgesamt 12 gleichwertigen möglichen Beschreibungen haben sich die unten angegebenen etabliert. Die angegebenen zugehörigen Drehmatrizen transformieren die Koordinaten des Körpers, der rotiert wird. „x-Konvention“ (Z,X’,Z’’)Zuerst wird um einen Winkel Ψ um die z-Achse des globalen Koordinatensystems (Z) gedreht. Es folgt eine Rotation um den Winkel Θ um die neue x-Achse (X') und schließlich um den Winkel Φ um die nach den beiden vorherigen Drehungen erhaltene z-Achse Z''.
„y-Konvention“ (Z,Y’,Z’’)Zuerst wird um einen Winkel Ψ um die z-Achse des globalen Koordinatensystems (Z) gedreht. Es folgt eine Rotation um den Winkel Θ um die neue y-Achse (Y') und schließlich um den Winkel Φ um die nach den beiden vorherigen Drehungen erhaltene z-Achse Z''.
Luftfahrtnorm (DIN 9300) (Yaw-Pitch-Roll, Z,Y’,X’’)In der Luftfahrtnorm ist die Transformation vom erdfesten (geodätischen, Labor-) System mit dem Index g in das flugzeugfeste (körperfeste) System mit dem Index f über die drei Lagewinkel Ψ, Θ und Φ definiert:
Die Transformationsmatrix setzt sich dann aus den drei Einzeldrehmatrizen für die jeweiligen Winkel zusammen. Dabei ist die Drehreihenfolge von rechts nach links zu lesen; also in der Reihenfolge :
BeispielDer Gewichtsvektor hat beispielsweise im erdfesten Koordinatensystem nur eine z-Komponente (in Richtung Erdmittelpunkt):
Die Transformation ins flugzeugfeste Koordinatensystem geschieht dann durch Linksmultiplikation des erdfesten Gewichtsvektors Gg mit der Transfomationsmatrix Mfg:
Physikalisch richtig wirkt das Gewicht also bei vorhandenem Nickwinkel Θ beispielsweise auch in die negative xf-Richtung, also im Flugzeug nach hinten. Herleitung im allgemeinen FallFür eine beliebige Wahl der Drehachsenreihenfolge kann die sich ergebende Drehmatrix durch die Zuhilfenahme des folgenden Zusammenhangs einfach hergeleitet werden: Die Drehmatrizen um die globalen Achsen sind bekannt. Wenn nun um eine bereits verdrehte Achse erneut gedreht werden soll, dann entspricht das der Drehmatrix um die entsprechende globale Achse, allerdings in einer transformierten Vektorbasis. Die Transformationsmatrix (Basiswechselmatrix) ist dabei gerade die vorhergehende Drehung. Seien A und B zwei Drehmatrizen um die beiden globalen Achsen G und H. Zur Berechnung der Drehmatrix zu der Reihenfolge beobachtet man, dass die Drehmatrix für die zweite Drehung um H der basistransformierten Matrix entsprechen muss. Dadurch erhält man für die resultierende Gesamtdrehmatrix . Für eine größere Anzahl von Drehungen erfolgt der Nachweis analog. Durch diese Darstellung ergibt sich, dass sich die Drehmatrix für eine beliebige Drehreihenfolge in nacheinander verdrehten Achsen durch die einfache Multiplikation von Drehmatrizen um globale Koordinatenachsen ergibt – allerdings in umgekehrter Reihenfolge. Ergebnis, InterpretationDas erhaltene Koordinatensystem mit den Achsen X'', Y'' und Z'' ist das sogenannte körperfeste System. Die Winkel φ und θ geben dabei die Lage der Z''-Achse gegenüber dem körperfesten System an („Drehung“ und „Kippung“, der Winkel ψ beschreibt die Eigendrehung des Körpers um sie. Dem entsprechen folgende Namenskonventionen:
Mathematische EigenschaftenDie Abbildung, die den Euler-Winkeln die zugehörige Drehmatrix zuordnet, besitzt kritische Punkte; in diesen Punkten ist die Zuordnung nicht lokal umkehrbar, man spricht von Gimbal Lock. Im Fall der x- oder y-Konvention tritt dies auf, wenn der zweite Winkel gleich null ist, der Drehvektor der ersten Drehung ist dann gleich dem Drehvektor der zweiten Drehung. Das bedeutet, dass für eine Rotation um die z-Achse beliebig viele Eulerwinkel mit α = Z + Z' existieren. Bei der Definition der Lagewinkel nach der Luftfahrtnorm liegen die kritischen Punkte bei . Nachteile, AlternativenZur Darstellung von Drehungen haben Eulerwinkel mehrere Nachteile:
Andere Möglichkeiten, die Orientierung zu beschreiben und teils diese Nachteile zu umgehen, sind Rotationsmatrizen oder Quaternionen. AnwendungenIn der Theoretischen Physik werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung des Starren Körpers benutzt. In der Kristallographie werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung der Kreise des Röntgendiffraktometers und zur Beschreibung der Orientierungsdichteverteilungsfunktion von Texturen verwendet. In der Astronomie sind die Eulerschen Winkel unter anderen Bezeichnungen als Bahnelement eines Objekts geläufig. In der Computergrafik werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung der Orientierung eines Objektes verwendet. In der Festkörper-NMR werden die Eulerschen Winkel zu theoretischen Beschreibung und zur Simulation von Spektren benutzt. |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Eulersche_Winkel aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |