Polarkoordinaten

In Koordinatensystemen mit Polarkoordinaten erfolgt die Angabe der Position von Punkten mittels des Abstandes von einem festgelegten Koordinatenursprung sowie durch einen oder mehrere Winkel in Bezug zu einer ausgezeichneten Ebene und/oder zu einer ausgezeichneten Richtung.

Allgemeines

Die Darstellung in Polarkoordinaten erlaubt bei Systemen, die Rotationssymmetrie oder Punktsymmetrie aufweisen, eine erhebliche Vereinfachung der Beschreibung. Z.B. genügt zur Festlegung einer Postion auf der Erdoberfläche, wenn es auf die Höhe über NN nicht ankommt, die Angabe von lediglich zwei Koordinaten (Längengrad und Breitengrad), da der Erdradius konstant ist.

Bei Polarkoordinaten stehen die Koordinatenlinien (Koordinatenachsen) ebenso wie bei kartesischen Koordinaten senkrecht aufeinander. Im Unterschied zu geradlinigen Koordinatensystemen sind die Koordinatenlinien bei Polarkoordinaten keine (bzw. nicht ausschließlich) Geraden.

Da es sich bei Polarkoordinaten um krummlinige Koordinaten handelt, ist bei der Integration in Polarkoordinaten die Funktionaldeterminante anzuwenden.

Unterschiedliche Varianten

Ebene Polarkoordinaten (Kreiskoordinaten)

Die Kreiskoordinaten eines Punktes in der euklidischen Ebene werden in Bezug zu einem Koordinatenursprung (ein Punkt der Ebene) und einer Polarkoordinatenrichtung (ein im Koordinatenursprung beginnender Strahl) angegeben.

Die Länge der gedachten Verbindungslinie eines Punktes P zum Ursprung gibt die r genannte Abstandskoordinate; der gegen den Uhrzeigersinn gemessene Winkel φ zwischen der gedachten Verbindungslinen und der Polarkoordinatenrichtung gibt die zweite Koordinate. Bei gegebenem Koordinatenursprung ist also der Punkt P durch r und φ eindeutig bestimmt.

Ebene Polarkoordinaten und ihreTransformation in kartesische Koordinaten

Wenn man ein Kartesisches Koordinatensystem mit gleichem Ursprung sowie der x-Achse in Polarkoordinatenrichtung wählt, ergeben sich

x = r cos ( φ ) und

y = r sin ( φ )

als Transformationsgleichungen zwischen den beiden Darstellungen.

Für die Funktionaldeterminante in ebenen Polarkoordinaten erhält man

\det {\frac {\partial (x,y)}{\partial (r,\varphi )}}={\begin{vmatrix}\cos \varphi &-r\sin \varphi \\\sin \varphi &r\cos \varphi \end{vmatrix}}=r.

Zylindrische Koordinaten (Zylinderkoordinaten)

Zylindrische Koordinaten sind im Wesentlichen ebene Polarkoordinaten, die um eine dritte Koordinate ergänzt sind. Diese dritte Koordinate, im Allgemeinen h genannt, beschreibt die Höhe eines Punktes über (oder unter) der Ebene des Kreiskoordinatensystems.

Wenn man ein Kartesisches Koordinatensystem mit gleichem Ursprung wie beim Kreiskoordinatensystem wählt, und eine dritte Achse (z-Achse) senkrecht auf der Ebene errichtet, dann ergeben sich

x = r cos ( φ ),

y = r sin ( φ ) und

z = h

als Transformationsgleichungen zwischen den beiden Darstellungen. r ist jetzt nicht mehr der Abstand des Punktes vom Koordinatenursprung sondern von der z-Achse.

Die Hinzunahme der geradlinigen Koordinaten h hat keinen Einfluss auf die Funktionaldeterminante:

\det {\frac {\partial (x,y,z)}{\partial (r,\varphi ,h)}}={\begin{vmatrix}\cos \varphi &-r\sin \varphi &0\\\sin \varphi &r\cos \varphi &0\\0&0&1\end{vmatrix}}=r.

Sphärische Polarkoordinaten (Kugelkoordinaten)

Ein Punkt P mit den kartesischen Koordinaten (x,y,z) läßt sich darstellen in den sphärischen Polarkoordinaten (r,φ,θ).

Wenn das kartesische Koordinatensystem wieder so gewählt wird wie im Fall der Zylinderkoordinaten, so erhält man die möglichen Transformationsgleichungen

x=r\sin(\vartheta )\cos(\varphi )

,

y=r\sin(\vartheta )\sin(\varphi )

und

z=r\cos(\vartheta )

Anschaulich:

z ist die Projektion des Ortsvektors

{\vec {p}}

von P auf die z-Achse,

x ist die Projektion von

{\vec {r}}_{0}

auf die x-Achse und

y ist die Projektion von

{\vec {r}}_{0}

auf die y-Achse, wobei

{\vec {r}}_{0}

die Projektion von

{\vec {p}}

auf die x-y-Ebene ist.

r(=|{\vec {p}}|)

ist der Abstand des Punktes P vom Koordinatenursprung,

θ ist der Winkel zwischen

{\vec {p}}

und der z-Achse und

φ ist der Winkel zwischen

{\vec {r}}_{0}

und der x-Achse.

In sphärischen Polarkoordinaten erhält man die Funktionaldeterminante

\det {\frac {\partial (x,y,z)}{\partial (r,\theta ,\varphi )}}={\begin{vmatrix}\sin \theta \cos \varphi &r\cos \theta \cos \varphi &-r\sin \theta \sin \varphi \\\sin \theta \sin \varphi &r\cos \theta \sin \varphi &r\sin \theta \cos \varphi \\\cos \theta &-r\sin \theta &0\end{vmatrix}}=r^{2}\sin \theta .

Neben der hier gewählten Definition der beiden Winkel sind auch andere Definitionen gebräuchlich. Die bei der Angabe von Punkten P auf der Erdoberfläche verwendeten Winkelkoordinaten sind z.B. der Winkel zwischen dem Strahl durch den Punkt P und der Äquatorialebene (Breitengrad), sowie zwischen dem Strahl und der durch Rotationsachse und Greenwich-Meridian aufgespannten Ebene (Längengrad).