这段主要在讲 Plücker 记号的坐标排列规则,尤其是:六维空间向量到底应该怎样写成一个 $6\times 1$ 的列向量。
1. Plücker 坐标是用来表示 6D 向量的
文中说,Plücker 坐标最早可以追溯到 19 世纪,但这里使用的基向量表示法是比较新的。
它们适合表示六维向量,例如:
空间速度:
$$ \hat{\mathbf m}\in \mathbb M^6 $$
空间力:
$$ \hat{\mathbf f}\in \mathbb F^6 $$
这里的 $\mathbb M^6$ 通常表示运动空间,$\mathbb F^6$ 表示力空间。
2. 速度和力之前的符号比较特殊
作者说,前面公式里的记号并不是最一般的 Plücker 记号,而是混合了物理意义。
比如空间速度中,作者用了 $\boldsymbol\omega$ 表示角速度,用 $\mathbf v_O$ 表示点 $O$ 的线速度。
所以空间速度写成:
$$ \hat{\mathbf v}_O = \begin{bmatrix} \boldsymbol\omega\\ \mathbf v_O \end{bmatrix}. $$
类似地,空间力中,作者用了 $\mathbf n_O$ 表示关于点 $O$ 的力矩,用 $\mathbf f$ 表示线力。
所以空间力写成:
$$ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \mathbf n_O\\ \mathbf f \end{bmatrix}. $$
也就是说,作者保留了三维力学里常用的符号,而不是简单地全部叫同一个名字。
3. 一般情况下,坐标名会和向量名一致
如果不特指速度或力,而是一般的六维运动向量
$$ \hat{\mathbf m}\in \mathbb M^6, $$
那么它的 Plücker 坐标写成:
$$ \hat{\mathbf m}_O = \begin{bmatrix} m_x\\ m_y\\ m_z\\ m_{Ox}\\ m_{Oy}\\ m_{Oz} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \mathbf m\\ \mathbf m_O \end{bmatrix}. $$
这里上面三项:
$$ m_x,\ m_y,\ m_z $$
是角量部分;下面三项:
$$ m_{Ox},\ m_{Oy},\ m_{Oz} $$
是线量部分。
所以:
$$ \mathbf m = \begin{bmatrix} m_x\\ m_y\\ m_z \end{bmatrix}, \qquad \mathbf m_O = \begin{bmatrix} m_{Ox}\\ m_{Oy}\\ m_{Oz} \end{bmatrix}. $$
4. 一般空间力的 Plücker 坐标
类似地,如果
$$ \hat{\mathbf f}\in \mathbb F^6 $$
是一般空间力,那么它的 Plücker 坐标写成:
$$ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} f_{Ox}\\ f_{Oy}\\ f_{Oz}\\ f_x\\ f_y\\ f_z \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \mathbf f_O\\ \mathbf f \end{bmatrix}. $$
注意这里的符号是一般写法。之前为了突出物理意义,把上半部分记成了力矩:
$$ \mathbf n_O $$
所以之前写成:
$$ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \mathbf n_O\\ \mathbf f \end{bmatrix}. $$
但在一般 Plücker 记号里,也可以把上半部分叫作:
$$ \mathbf f_O. $$
它表示空间力中与参考点 $O$ 有关的力矩部分。
5. 关键规则:角量在前,线量在后
作者强调:
$$ \boxed{\text{Plücker 坐标总是按 angular-before-linear 顺序排列}} $$
也就是:
$$ \boxed{\text{前三个是角量,后三个是线量}} $$
对于运动向量:
$$ \hat{\mathbf m}_O = \begin{bmatrix} \text{angular part}\\ \text{linear part} \end{bmatrix}. $$
例如空间速度:
$$ \hat{\mathbf v}_O = \begin{bmatrix} \boldsymbol\omega\\ \mathbf v_O \end{bmatrix}. $$
对于力向量:
$$ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \text{moment part}\\ \text{linear force part} \end{bmatrix}. $$
例如空间力:
$$ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \mathbf n_O\\ \mathbf f \end{bmatrix}. $$
6. 也有人把线量放前面
文中最后说,从数学上讲,把角量放前还是线量放前,本质上没有区别。
也就是说,数学上你可以写:
$$ \begin{bmatrix} \text{angular}\\ \text{linear} \end{bmatrix} $$
也可以写:
$$ \begin{bmatrix} \text{linear}\\ \text{angular} \end{bmatrix}. $$
只要你全书、全程序都保持一致,理论是一样的。
但是从计算机实现角度看,顺序很重要。因为软件通常默认某一种排列方式。如果你把顺序弄反了,矩阵乘法、坐标变换、动力学计算都会出错。
7. 这段话的核心总结
这段内容的核心是:
$$ \boxed{\text{本文统一采用:角量在前,线量在后}} $$
即:
$$ \boxed{ \hat{\mathbf m}_O = \begin{bmatrix} \mathbf m\\ \mathbf m_O \end{bmatrix} } $$
以及:
$$ \boxed{ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \mathbf f_O\\ \mathbf f \end{bmatrix} } $$
对于前面具体的速度和力,就是:
$$ \boxed{ \hat{\mathbf v}_O = \begin{bmatrix} \boldsymbol\omega\\ \mathbf v_O \end{bmatrix} } $$
$$ \boxed{ \hat{\mathbf f}_O = \begin{bmatrix} \mathbf n_O\\ \mathbf f \end{bmatrix} } $$
简单说:这段是在统一六维空间向量的记号规范,规定本文中所有 Plücker 坐标都按照“角量/力矩在前,线量/线力在后”的顺序排列。