CH06 · 测地线

把初速度射进曲面

在同一个起点给出一支单位切向箭头。球面上的轨道会闭合成大圆,圆柱上的轨道则能在展开图中保持为直线;纬线只是一个很容易误认成测地线的参照。

左侧显示曲面上的投影轨迹;圆柱模式右侧展开坐标 x = Rθ,直线正是测地线。

操作与观察

拖动 α 从负值扫到正值,观察轨迹怎样从“绕圈”变成同时绕圈与升高。圆柱的展开图把曲面上的两种运动放到同一张欧氏坐标纸上。

球面:γ(s)=cos(s)p₀+sin(s)T₀;圆柱:θ(s)=s cosα,z(s)=s sinα。

解释

测地线的定义是切向加速度在曲面的切平面内为零。球面上这意味着轨迹落在过球心的大圆上;圆柱的度量是 ds²=dθ²+dz²(R=1),所以展开后是平面直线。纬线在球面上通常有向心的切平面分量,因而不是测地线。

边界提醒:本示意只取最短大圆弧和有限行程;当行程很长时,球面轨迹会重复绕行,图上的二维投影可能遮住空间路径。