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Niveau école ingénieur
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Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
MattZ
09-05-20 à 21:04

Bonjour, je cherche à écrire les coordonnées d'un champ de vecteurs en coordonnées cylindriques.

Soit \vec{A}=y\vec{e_x}+x\vec{e_y}+\frac{x^2}_{\sqrt{x^2+y^2}}}\vec{e_z}.

J'ai essayé d'exprimer \vec{e_x},\vec{e_y} et \vec{e_z} en cylindrique, sans grand succès.

Auriez-vous quelques indications pour moi ?

Merci d'avance.

Posté par
raptor666
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 09-05-20 à 22:27

Bonsoir,

Utilise les conversions: x=r*cos(teta) et y=r*sin(teta) et z reste z

Ensuite on fait apparaitre le vecteur radial ur = cos(teta)*ex+sin(teta)*ey

Mais il y a un probleme pour faire apparaitre le vecteur ur.Il n'y a pas une erreur ?

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 11:15

Comment je me sers de ces conversions ? Là on a les coordonnées en cartésiennes donc on a déjà x y et z. Il faut isoler r et \theta ?
Quel est le problème pour faire apparaître le vecteur radial ?

Posté par
raptor666
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 11:29

le but est bien de changer x ,y , z aussi mais ici il est absent.

On a r*sin(teta)*ex+r*cos(teta)*ey+r*(cos(teta))^2*ez.

La base en cylindrique est ( ur, uteta ,uz).
Sachant que ur = cos(teta)*ex+sin(teta)*ey et uteta = -sin(teta)*ex+cos(teta)*ey

Je ne vois pas comment on peut continuer.

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 11:49

Bonjour à tous les deux
On peux commencer par réfléchir à la pertinence de ce changement de système de coordonnées. On sait que les coordonnées cylindriques sont particulièrement adaptées aux problèmes présentant une symétrie par rapport à l'axe (Oz). Soit M(x,y,z) et M'(-x,-y,z) le point symétrique par rapport à (Oz).
La composante suivant z de \vec A est la même en M et en M' alors que les composantes suivant x et y changent de signe alors que passer de M en M' remplace \vec{e_r} par son opposé et remplace \vec{e_\theta} par son opposé. Le changement de système de coordonnées peut sembler pertinent...
Ce qu'à écrit raptor666 est correct mais je ne vois pas de problème particulier concernant \vec{e_r}.

\overrightarrow{e_{x}}=\cos\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{r}}-\sin\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{\theta}}\quad;\quad\overrightarrow{e_{y}}=\sin\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{r}}+\cos\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{\theta}}

Les calculs se simplifient bien en faisant intervenir l'angle double...

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 11:56

Citation :
z aussi mais ici il est absent

Cela signifie simplement que le champ de vecteur \vec A est invariant par translation suivant (Oz) ; les situations de ce type abondent en physique.

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 12:33

Merci vanoise pour ces éclaircissements !

Je n'arrive pas à retrouver les relations que tu as données dans ta réponse, comment fait - on ?

En appliquant ta formule, je trouve \vec{A}=rsin(2\theta)\vec{e_r}+rcos(2\theta)\vec{e_\theta}+rcos^2(\theta)\vec{e_z}.

Etes-vous d'accord ?

Posté par
raptor666
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 13:02

Ah ben oui

J'avais oublié de convertir ex,ey et ez dans la base cylindrique.

Voilà pourquoi cela m'a embrouillé ! autant pour moi.

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 14:21

D'accord avec ton résultat. Tu peux éventuellement remplacer le cos2 par une expression faisant intervenir le cosinus de l'angle double pour un résultat plus homogène mais cela n'est pas obligatoire.

Citation :
Je n'arrive pas à retrouver les relations que tu as données dans ta réponse, comment fait - on ?

Voici, sous forme de schémas, un rappel sur les coordonnées cylindriques puis une représentation des vecteurs unitaires qui te posent problème. Il s'agit de simples projection comme tu as appris à en faire dans l'enseignement secondaire.
PS : J'ai l'habitude de noter "u" un vecteur unitaire plutôt que "e" comme cela se fait aussi. Cela ne devrait pas te perturber je pense.

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 15:30

Super, j'ai compris comment les retrouver, merci beaucoup pour vos réponses !

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 15:33

On peut aussi retrouver l'expression des vecteurs unitaires du repère cartésien selon les vecteurs unitaires du repère sphérique de la même manière ?

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 15:48

Bien sûr ! Toujours la même méthode de projection ! Il faut t'entraîner à faire cela de façon rapide et fiable car ce genre de projection intervient très souvent !

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 16:43

Auriez-vous l'expression ces vecteurs ? Je n'arrive pas à les trouver ailleurs pour vérifier ce que j'ai trouvé.

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 16:49

\overrightarrow{e_{r}}=\cos\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{x}}+\sin\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{y}}\quad;\quad\overrightarrow{e_{\theta}}=-\sin\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{x}}+\cos\left(\theta\right).\overrightarrow{e_{y}}

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 16:55

Je cherche les \vec{e_x},\vec{e_y},\vec{e_z} en fonction \vec{e_r},\vec{e_\theta},\vec{e_\varphi}.

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 17:18

Si je comprends bien, tu t'intéresses maintenant aux coordonnées sphériques.
Méthode possible :
Commencer par exprimer les vecteurs \vec e_x et \vec e_y en fonction de \vec e_\varphi et \vec e : vecteur unitaire ayant la direction et le sens de \vec{OH} sur le schéma.
Ce vecteur \vec e s'exprime ensuite assez facilement en fonction de \vec e_r et \vec e_\theta ensuite.

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 17:51

Oui c'est ça,

Pour commencer, est-ce correct ?
\vec{e_x}=sin\varphi \vec{e} - cos\varphi \vec{e_\varphi}
\vec{e_y}=sin\varphi \vec{e} + cos\varphi \vec{e_\varphi}

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 17:56

Non ; peux-tu scanner le schéma que tu as fait ? plan de figure : (Oxy).

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 18:03

Voilà

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 18:11

Ta figure est correcte... Tu domines bien les significations géométriques du sinus et du cosinus ?

\overrightarrow{e_{x}}=\cos\left(\varphi\right).\overrightarrow{e}-\sin\left(\varphi\right).\overrightarrow{e_{\varphi}}\quad;\quad\overrightarrow{e_{y}}=\sin\left(\varphi\right).\overrightarrow{e}+\cos\left(\varphi\right).\overrightarrow{e_{\varphi}}

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 18:25

Je pensais maîtriser mais j'en suis plus trop sûr maintenant...
On a la même expression pour \vec{e_y} mais je ne suis pas certain d'avoir la bonne méthode pour le trouver. Et je n'arrive pas à retrouver votre expression pour \vec{e_x}.

Ce que je fais c'est que je retrouve \varphi sur mon schéma et je fais la trigo dans le triangle rectangle rouge sur l'image :

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 18:43

Voici un schéma où sont représentés les projections et les angles. Difficile de faire plus...

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 10-05-20 à 21:29

Confusion de deux indices sur le schéma précédent ; je corrige.

Coordonnées cartésiennes à cylindriques

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 14-05-20 à 14:49

Merci pour les représentations des différents emplacements de l'angle, c'est ça qui me posait problème.
Je trouve donc :
\vec{u_x}=cos\varphi sin\theta \vec{u_r}+cos\varphi cos\theta \vec{u_\theta}-sin\varphi \vec{u_\varphi}
\vec{u_y}=sin\varphi sin\theta \vec{u_r}+sin\varphi cos\theta \vec{u_\theta}+cos\varphi \vec{u_\varphi}
\vec{u_z}=cos\theta \vec{u_r}-sin\theta \vec{u_\theta}

Posté par
vanoise
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 14-05-20 à 15:30

Tout est bon !

Posté par
MattZ
re : Coordonnées cartésiennes à cylindriques 15-05-20 à 08:58

Super, merci encore!



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