Koordinatensingularität

In der Physik spricht man von einer Koordinatensingularität, wenn in einem Koordinatensystem aufgrund seiner besonderen Eigenschaften für einen bestimmten Punkt keine eindeutigen Koordinaten angegeben werden können. So sind zum Beispiel an Nord- und Südpol der Erde eindeutige Angaben zur geografischen Länge weder möglich noch erforderlich, da sich alle Längenkreise in diesem Punkt schneiden. Anders als eine physikalische Singularität ist eine Koordinatensingularität für einen Beobachter ohne Auffälligkeit, da sie nur aufgrund der Eigenschaften des Koordinatensystems erscheint. Sie verschwindet bei Anwendung eines geeigneteren Koordinatensystems.

Koordinatensingularitäten an Nord- und Südpol einer Sphäre bei Verwendung geographischer Koordinaten

DefinitionBearbeiten

Eine Koordinatensingularität liegt an den Punkten vor, an denen eine Größe ihren zulässigen Wertebereich verlässt oder nicht eindeutig ist, sich dies aber durch die Wahl eines anderen Koordinatensystems beheben lässt.[1][2]

BeschreibungBearbeiten

Koordinatensingularitäten können in verschiedenen Situationen auftreten. Beispielsweise entsteht eine Koordinatensingularität an einem Punkt einer  -dimensionalen Untermannigfaltigkeit des euklidischen Raums   mit   oder einer (abstrakten) Mannigfaltigkeit dieser Dimension, wenn dieser Punkt in dem gewählten Koordinatensystem keine eindeutigen Koordinaten   hat. Die Natur einer solchen Koordinatensingularität erkennt man, wenn man ein anderes Koordinatensystem betrachtet, in dem der Punkt eindeutige Koordinaten   besitzt. Im Fall des euklidischen Raums können dies kartesische Koordinaten sein, im Fall von Mannigfaltigkeiten kann dies mit einer Karte geschehen. Dann gibt es eine Koordinatentransformation   der Form

 

die allerdings an einer Koordinatensingularität nicht invertierbar ist. Ist die Koordinatentransformation   komponentenweise differenzierbar, was bei gängigen Koordinatensystemen der Fall ist, dann ist die Jacobi-Matrix

 

an einer Koordinatensingularität singulär, daher die Bezeichnung „Koordinatensingularität“.

BeispieleBearbeiten

PolarkoordinatenBearbeiten

 
Polarkoordinaten  

Im Polarkoordinatensystem wird jeder Punkt der Ebene durch eine Radialkoordinate   und eine Winkelkoordinate   beschrieben. Die Umrechnung von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten   erfolgt durch die Koordinatentransformation

 
 

Im Nullpunkt   erhält man dabei eine Koordinatensingularität: ist  , so ist das Ergebnis der Transformation unabhängig von der Winkelkoordinate  . In Polarkoordinaten hat der Nullpunkt damit keine eindeutige Darstellung. Erweitert man Polarkoordinaten um eine Höhenkoordinate  , die den Abstand von der Ebene des Polarkoordinatensystems angibt,

 

erhält man Zylinderkoordinaten des Raumes, die an allen Punkten   singulär sind.

KugelkoordinatenBearbeiten

 
Kugelkoordinaten  

Im Kugelkoordinatensystem wird jeder Punkt des Raums durch eine Radialkoordinate   und zwei Winkelkoordinaten   und   beschrieben. Die Umrechnung von Kugelkoordinaten in kartesische Koordinaten   erfolgt durch die Koordinatentransformation

 
 
 

Man erhält durch diese Transformation die folgenden Koordinatensingularitäten:

  • ist  , so ist das Ergebnis der Transformation der Punkt   auf der positiven z-Achse unabhängig von der Winkelkoordinate  
  • ist  , so ist das Ergebnis der Transformation der Punkt   auf der negativen z-Achse unabhängig von der Winkelkoordinate  
  • ist  , so ist das Ergebnis der Transformation der Nullpunkt   unabhängig von beiden Winkelkoordinaten   und  

In Kugelkoordinaten hat somit die gesamte z-Achse keine eindeutige Darstellung. Durch Setzen von   erhält man sphärische Koordinaten (geographische Koordinaten) auf der Kugeloberfläche, die nur an den beiden Polen   und   singulär sind.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • Franz Embacher: Mathematische Grundlagen für das Lehramtsstudium Physik. 2. überarbeitete Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-0948-3, S. 167 (Online).
  • Hans Jörg Dirschmid: Tensoren und Felder. 1. Auflage. Springer, Wien 1996, ISBN 3-211-82754-4, S. 492 (Online).
  • Thomas Filk, Domenico Giulini: Am Anfang war die Ewigkeit: auf der Suche nach dem Ursprung der Zeit. 1. Auflage. Beck, München 2004, ISBN 3-406-52187-8, S. 243 (Online).

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Hans-Jürgen Schmidt: Einsteins Arbeiten in Bezug auf die moderne Kosmologie. 2005, S. 2 (Online (PDF; 146 kB)).
  2. Hilmar W. Duerbeck, Wolfgang R. Dick (Hrsg.): Einsteins Kosmos: Untersuchungen zur Geschichte der Kosmologie. 2005, ISBN 3-8171-1770-1, S. 110.