Геометрическая волновая инженерия псевдоповерхностей 2-го и 3-го порядков - страница 6

Псевдосфера Бельтрами (2-го порядка)

Псевдосфера Бельтрами стала отправной точкой для последующих исследований, направленных на создание новых классов псевдоповерхностей, но уже с переменной отрицательной кривизной. Таких как псевдопараболоид, псевдогиперболоид и псевдоэллипсоид.

Фундаментальная псевдосфера Бельтрами с постоянной отрицательной кривизной

Псевдосфера определяется как поверхность с постоянной отрицательной гауссовой кривизной, что противоположно сфере, имеющей положительную кривизну. Величина постоянной отрицательной гауссовой кривизны составляет K = -1/R2,

где R – псевдорадиус поверхности.

Псевдосфера образуется вращением трактрисы, также известной как трактоида или эквитангенциальная кривая. Трактриса представляет собой путь объекта, который тянут за нить постоянной длины по прямой горизонтальной линии, причем нить всегда остается касательной к траектории.

Существует несколько параметрических уравнений трактрисы, в зависимости от выбранной параметризации:

– с использованием параметра t: x(t) = a (t – tanht), y(t) = a secht.

– с использованием угла Q: x = a(ln[tan(Q/2)] + cosQ), y = a sinQ.

– с использованием обратной функции Гудермана gd-1Q: x = a gd-1Q – sinQ, y = a cosQ.

другие формы, включающие гиперболические функции и логарифмы.

Дифференциальное уравнение трактрисы имеет вид: dydx = − Sqrt (a2−x2)/x. Геометрия псевдосферы представляет собой поверхность вращения трактрисы вокруг ее асимптоты, причем асимптота становится осью вращения.

Первая фундаментальная форма (метрический тензор) псевдосферы может быть записана как ds2 = du2 + dv2/v2 в подходящей параметризации, или ds2 = a2 sech2(v) dv2 + a2 sech4(v) du2.

Полная кривизна (гауссова кривизна) K = -1/R2 постоянна, что определяет внутреннюю геометрию поверхности, где в каждой точке псевдосфера обладает отрицательно искривленной геометрией седла.

Важно отметить, что псевдосфера локально изометрична плоскости Лобачевского (гиперболической плоскости), что означает, что локально расстояния и углы на псевдосфере такие же, как и на гиперболической плоскости.

Визуальные представления и 3D-модели.

Характерная форма псевдосферы – это форма рога, часто изображаемая как поверхность с заострением и сингулярностью на экваторе. Существуют визуализации, демонстрирующие геодезические линии на псевдосфере, которые при отображении на модель Пуанкаре верхней полуплоскости соответствуют прямым линиям или дугам окружностей, перпендикулярным вещественной оси. Встречаются 3D-модели и скульптуры, вдохновленные псевдосферой, например, мемориал Бойяи и модели из бумаги или других материалов. Следует также отметить существование «дышащих псевдосфер» и других связанных псевдосферических поверхностей, получаемых из решений уравнения синус-Гордона, которые могут иметь более сложную и «дышащую» форму.

Рис. № 1. 3D-модель псевдосферы Бельтрами с постоянной отрицательной кривизной.

В псевдосфере (сферической полости) энергия концентрируется в геометрическом центре. Физически это происходит потому, что:

Механизм концентрации:

Все лучи, исходящие из центра, отражаются от стенок и возвращаются обратно в центр.

После многократных отражений возникает стоячая волна с максимумом энергии в центре.

Аналогично звуковым волнам в сферическом помещении.

Математическое обоснование:

В сферических координатах решение волнового уравнения дает максимум амплитуды при r=0.