Введение
СИ-единица измерения угла
Определение
Один радиан определяется как центральный угол, опирающийся на дугу, длина которой равна радиусу окружности. В более общем случае, величина угла в радианах равна отношению длины дуги к радиусу окружности; то есть, θ = s/r, где θ – центральный угол в радианах, s – длина дуги, а r – радиус. Прямой угол равен π/2 радиан. Угол полного оборота (360°) соответствует длине окружности, деленной на радиус, то есть 2πr/r, или 2π. Таким образом, 2π радиан равны 360 градусам. Соотношение 1 = 180/π рад = 360° можно вывести, используя формулу длины дуги, поскольку радиан – это мера угла, опирающегося на дугу, длина которой равна радиусу окружности. Это можно упростить до θ = s/r. Умножив обе части на 360°, получим 360° = (180/π) рад.
Символ единицы
Международное бюро мер и весов и Международная организация по стандартизации указывают «рад» как символ радиана. Альтернативными символами, которые использовались в 1909 году, были c (верхний индекс c, обозначающий «круговую меру»), буква r или надстрочный знак ’. Однако «рад» используется только для выражения углов, а не для выражения отношений длин в общем случае. Аналогичный расчёт с использованием площади кругового сектора 1=θ = 2A/r^(2) даёт 1 радиан как 1 м²/м². Ключевой факт заключается в том, что радиан — это безразмерная единица, равная 1. В СИ 2019 радиан определяется соответственно как 1=1 рад = 1. Это устоявшаяся практика в математике и во всех областях науки — использовать 1=рад = 1. Джакомо Прандо пишет: «Текущее положение дел неизбежно приводит к призрачному появлению и исчезновению радиана в размерностном анализе физических уравнений». Например, объект, подвешенный на нити к блоку, поднимется или опустится на 1=y = rθ сантиметров, где r — радиус блока в сантиметрах, а θ — угол, на который поворачивается блок в радианах. При умножении r на θ единица радиана исчезает из результата. Аналогично, в формуле для угловой скорости вращающегося колеса 1=ω = v/r, радианы присутствуют в единицах ω, но отсутствуют в правой части уравнения. Энтони Френч называет это явление «вечной проблемой в обучении механике». Оберхофер отмечает, что типичный совет игнорировать радианы при размерностном анализе и добавлять или удалять радианы в единицах в соответствии с общепринятыми правилами и контекстными знаниями является «педагогически неудовлетворительным». В 1993 году Комитет по метрической системе Американской ассоциации учителей физики уточнил, что радиан должен явно присутствовать в величинах только в тех случаях, когда при использовании других мер углов будут получены различные числовые значения, например, в величинах измерения угла (рад), угловой скорости (рад/с), углового ускорения (рад/с²) и крутильной жёсткости (Н⋅м/рад), а не в величинах крутящего момента (Н⋅м) и углового момента (кг⋅м²/с). По крайней мере, дюжина учёных в период с 1936 по 2022 год предлагали рассматривать радиан как базовую единицу измерения для базовой величины (и размерности) «плоский угол». Обзор предложений Куинси выделяет два класса предложений. Первый вариант предполагает изменение единицы радиуса на метры на радиан, но это несовместимо с размерностным анализом площади круга, 1=πr². Другой вариант — ввести размерностную константу. По словам Куинси, этот подход является «логически строгим» по сравнению с СИ, но требует «модификации многих известных математических и физических уравнений». Размерностная константа для угла «довольно странна», и сложность модификации уравнений для добавления размерностной константы, вероятно, исключит широкое использование. Например, библиотека единиц Boost определяет единицы угла с размерностью плоского угла, а система единиц Mathematica аналогично рассматривает углы как имеющие размерность угла.
Между градианами
Радиан равен одному полному обороту, который по определению равен 400 градиан (400 гонов или 400г). Чтобы преобразовать из радианов в градианы, умножьте на , а чтобы преобразовать из градианов в радианы – умножьте на . Например,
Физика
Радиан широко используется в физике, когда требуются угловые измерения. Например, угловая скорость обычно выражается в единицах радиан в секунду (rad/s). Один оборот в секунду соответствует 2 радианам в секунду. Аналогично, единицей измерения углового ускорения часто является радиан в секунду в секунду (rad/s²). Для целей размерностного анализа единицы угловой скорости и углового ускорения равны s⁻¹ и s⁻² соответственно. Также, фазовая разность двух волн может быть выражена в радианах. Например, если фазовая разность двух волн равна (n⋅2π) радиан, где n – целое число, то волны считаются синфазными, а если фазовая разность двух волн равна (n⋅π) радиан, где n – целое число, то волны считаются противофазными. Обратные радианы (rad⁻¹) используются в составных единицах, таких как метры на радиан (для угловой длины волны) или джоули на радиан (эквивалентно ньютон-метру).
Префиксы и варианты
Метрические префиксы для долей используются с радианами. Миллирадиан (mrad) — это тысячная часть радиана (0,001 рад), то есть 1 рад = 10³ мрад. В круге содержится 2 × 1000 миллирадианов (≈ 6283,185 мрад). Таким образом, миллирадиан — это немного меньше угла, занимаемого полным кругом. Эта единица углового измерения широко используется производителями телескопических прицелов, применяющих (стадиаметрическую) дальнометрию в сетках прицеливания. Дивергенция лазерных лучей также обычно измеряется в миллирадианах. Угловая миля — это приближение к миллирадиану, используемое НАТО и другими военными организациями в артиллерии и наведении. Каждая угловая миля составляет 1/6400 часть круга и примерно на 1,875% меньше миллирадиаана. Для малых углов, типичных для работ по наведению, удобство использования числа 6400 в вычислениях перевешивает небольшие математические погрешности, которые оно вносит. В прошлом другие артиллерийские системы использовали различные приближения к 1/6400; например, Швеция использовала «стрек», а СССР — «деление». Основанная на миллирадиане, миля НАТО соответствует примерно 1 м на расстоянии 1000 м (при таких малых углах кривизна пренебрежимо мала). Префиксы, меньшие чем «милли», полезны для измерения чрезвычайно малых углов. Микрорадианы (μrad, e=6) и нанорадианы (nrad, e=9) используются в астрономии и могут также применяться для измерения качества лазерного пучка с ультранизкой дивергенцией. Более распространенной является дуговая секунда, которая равна 1/3600 радиана (около 4,8481 микрорадианов).
До 20-го века
Идея измерения углов по длине дуги была в употреблении у математиков довольно рано. Например, аль-Каши (ок. 1400) использовал так называемые части диаметра в качестве единиц, где одна часть диаметра соответствовала одному радиану. Они также использовали шестидесятеричные подразделённые части диаметра. Ньютон в 1672 году говорил об «угловой величине кругового движения тела», но использовал её только как относительную меру для разработки астрономического алгоритма. Концепция радианной меры обычно приписывается Роджеру Котсу, умершему в 1716 году. К 1722 году его двоюродный брат Роберт Смит собрал и опубликовал математические труды Котса в книге Harmonia mensurarum. В главе редакционных комментариев Смит дал, вероятно, первое опубликованное вычисление одного радиана в градусах, ссылаясь на записку Котса, которая не сохранилась. Смит описал радиан во всём, кроме названия – «Теперь это число равно 180 градусам, как радиус круга к полукружности, то есть как 1 к 3.141592653589», – и признал его естественность как единицу угловой меры. В 1765 году Леонард Эйлер неявно принял радиан в качестве единицы угла. Эйлер, вероятно, первым принял эту конвенцию, называемую радианной конвенцией, которая даёт простую формулу для угловой скорости: 1 = ω = v/r. Как обсуждалось в [укажите ссылку], радианная конвенция была широко принята, а другие конвенции имеют недостаток, заключающийся в необходимости использования размерной константы, например, 1 = ω = v/(ηr). До того, как термин «радиан» стал широко распространённым, единицу обычно называли круговой мерой угла. Термин «радиан» впервые появился в печати 5 июня 1873 года в экзаменационных вопросах, составленных Джеймсом Томсоном (братом лорда Кельвина) в Королевском колледже Белфаста. Он использовал этот термин ещё в 1871 году, в то время как в 1869 году Томас Мьюр, тогда из Университета Сент-Эндрюса, колебался между терминами «рад», «радиальный» и «радиан». В 1874 году, после консультации с Джеймсом Томсоном, Мьюр принял термин «радиан». Название «радиан» не было сразу же принято всеми. В 1890 году в «Школьной тригонометрии Лонгмана» радиан всё ещё назывался круговой мерой. В 1893 году Александр Макфарлейн написал: «Истинный аналитический аргумент для круговых отношений – это не отношение дуги к радиусу, а отношение удвоенной площади сектора к квадрату радиуса». По какой-то причине статья была изъята из опубликованных материалов математического конгресса, проходившего в связи со Всемирной Колумбийской выставкой в Чикаго (указано на странице 167), и опубликована отдельно в его «Трудах по анализу пространства» (1894). Макфарлейн пришёл к этой идее или соотношениям площадей, рассматривая основу гиперболического угла, который определяется аналогичным образом.
В качестве единицы СИ
Как Пол Квинси и другие пишет, "статус углов в Международной системе единиц (СИ) долгое время был источником споров и путаницы". В 1960 году CGPM учредил СИ, и радиан был классифицирован как "дополнительная единица" наряду со стерадианом. Этот специальный класс официально рассматривался "либо как базовые единицы, либо как производные единицы", поскольку CGPM не смог прийти к решению о том, является ли радиан базовой или производной единицей. Ричард Нельсон пишет: "Эта неоднозначность [в классификации дополнительных единиц] вызвала оживлённую дискуссию об их правильной интерпретации", но от неё отказались, чтобы избежать потрясений в существующей практике. В октябре 1980 года CGPM решил, что дополнительные единицы являются безразмерными производными единицами, для которых CGPM допускает свободу их использования или неиспользования в выражениях для производных единиц СИ, исходя из того, что "[не существует формализма], который был бы одновременно последовательным и удобным и в котором величины плоский угол и телесный угол могли бы рассматриваться как базовые величины", и что "[возможность рассматривать радиан и стерадиан как базовые единицы СИ] ставит под угрозу внутреннюю согласованность СИ, основанной только на семи базовых единицах". В 1995 году CGPM упразднил класс дополнительных единиц и определил радиан и стерадиан как "безразмерные производные единицы, названия и символы которых могут, но не обязаны, использоваться в выражениях для других производных единиц СИ, по мере необходимости". Михаил Калинин, писавший в 2019 году, подверг критике решение CGPM 1980 года как "необоснованное" и утверждает, что решение CGPM 1995 года использовало противоречивые аргументы и внесло "многочисленные расхождения, несоответствия и противоречия в формулировки СИ". На встрече CCU в 2013 году Питер Мор представил доклад о предполагаемых несоответствиях, возникающих в результате определения радиана как безразмерной единицы, а не базовой единицы. Президент CCU Ян М. Миллс назвал это "серьёзной проблемой", и была создана Рабочая группа CCU по углам и безразмерным величинам в СИ. CCU в последний раз встречался в 2021 году, но не достиг консенсуса. Небольшое число членов настоятельно утверждали, что радиан должен быть базовой единицей, но большинство считало, что текущее положение дел приемлемо или что изменения принесут больше проблем, чем пользы. Была создана рабочая группа для "анализа исторического использования дополнительных единиц СИ и рассмотрения вопроса о том, будет ли их повторное введение полезным", среди прочих задач.