Decoración "bobina" de Tikz: ¿cómo cambiar la orientación de la bobina?

Aug 17 2020

Tengo un problema al usar la coildecoración en Tikz:

Es posible que sepa que una partícula cargada gira alrededor de líneas de campo magnético (llamado movimiento ciclotrón ). Sin embargo, cerca de la superficie polarizada, el movimiento del centro de guía (es decir, el centro de los bucles) abandona el movimiento lineal a lo largo de la línea del campo B y tiende a seguir la dirección perpendicular a la superficie. Así es como se ve en Tikz:

Con el siguiente código:

\documentclass[tikz]{standalone}
\usetikzlibrary{calc,decorations.pathreplacing,angles,quotes,decorations.pathmorphing}
\usepackage{newpxtext,newpxmath}
\usepackage[european,RPvoltages]{circuitikz}
\standaloneenv{circuitikz}

\begin{document}

    \begin{tikzpicture}[thick,scale=1, every node/.style={scale=1}]

    \def\ion#1#2{
        %\draw node[circle,shading=ball,minimum width=1cm,color = white] at (#1,#2) {$\textbf{+}$};
        \fill[white, ball color=blue!80!white] (#1, #2, 0) circle (0.5);
        \draw (#1,#2) node[color = white] {\Huge $\textbf{+}$}; 
    }
    
    \def\electron#1#2{
        %\draw node[circle,shading=ball,minimum width=1cm,color = white] at (#1,#2) {$\textbf{+}$};
        \fill[line width=0.0mm, white, ball color=red] (#1, #2, 0) circle (0.30);
        \draw (#1,#2) node[color = white] {\Large $\textbf{-}$}; 
    }
    
    % Electrodes
    \shade [left color = gray , right color = gray!25] (10,0) -- (11,0) -- (11,7) -- (10,7) -- cycle;
    \draw (10.5,3.5) node [rotate = -90] {Cathode, $V<0$ V};
    
    %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
    % plasma
    \shade [right color = blue!30 , left color = blue!10] (-0.5,0) -- (10,0) -- (10,7) -- (-0.5,7) -- cycle;
    
    \draw [thick] (-0.5,0) -- (11,0);
    \draw [thick] (-0.5,7) -- (11,7);
    \draw [very thick] (10,0) -- (10,7);
    
    \draw [ultra thick, ->,>=stealth] (0.5,5) -- (0.5,6.25);
    \draw (0.5,6) node [above left] {$x$};
    
    \draw [ultra thick, ->,>=stealth] (0.5,5) -- (1.75,5);
    \draw (1.5,5) node [below left] {$z$};
    \draw (0.5,5) node {$\bullet$};
    
    \draw [very thick,->,>=stealth] (0.5,5) --++ (45:1.4);
    \draw (0.5,5) ++ (45:1.4) node [above right] {$\vec{B}=B~\vec{b}$};
    \draw [very thick] (0.5,5.5) arc(90:45:0.5);
    \draw (0.5,5) ++ (70:0.75) node [] {$\psi$};
    
    \draw [dashed, very thick, red!40!blue] (0,0) -- (3,3) to[out = 45, in = -170] (7,5) -- (10,5);
    
    
    \draw [dashed, white!10!black, ultra thick](3,0) -- (3,7);
    \draw [dashed, white!10!black, ultra thick](7,0) -- (7,7);
    
    
    \draw (1.5,0) node [below, text width = 3cm,align = center]  {Prégaine \\ collisionnelle $\sim\lambda_i$};
    \draw (5,0) node [below, text width = 4cm,align = center]  {Prégaine \\ magnétique $\sim\rho_\text{ci}$};
    \draw (8.5,0) node [below, text width = 2.5cm,align = center]  {Gaine de Debye $\sim\lambda_\text{De}$};
    
    % THIS IS THE FRAGMENT TO DRAW THE BLUE COIL !!!!
    \draw [very thick, blue!50!white,->,>=stealth,decorate,decoration={coil,amplitude=10mm,segment length=10mm,post length=1mm}]
    (0,0) -- (3,3) to[out = 45, in = -170] (7,5) -- (10,5);
    % THIS was THE FRAGMENT TO DRAW THE BLUE COIL !!!!

    \draw [ultra thick,->,>=stealth,blue] (1,1) --++ (45:1);
    \draw (1,1) ++ (45:1) node [above left,blue] {$\vec{v}_i$};
    \ion{1}{1};
    
    
    \draw [ultra thick,->,>=stealth,blue] (3,3) --++ (45:1.4);
    \draw (3,3) ++ (45:1.4) node [below right,blue] {$\vec{v}_{i\parallel}=c_s~\vec{b}$};
    \ion{3}{3};
    
    \draw [ultra thick,->,>=stealth,blue] (7,5) --++ (0:1.4);
    \draw (7,5) ++ (0:1.4) node [below,blue] {$\vec{v}_{iz}=c_s~\vec{e}_z$};
    \ion{7}{5};
    
    \draw [very thick, red!80!white,->,>=stealth,decorate,decoration={coil,amplitude=1.4mm,segment length=2mm,post length=1mm}]
    (0,2.75) -- (4.25,7);
    \electron{0}{2.75};
    
    \draw [very thick, red!80!white,->,>=stealth,decorate,decoration={coil,amplitude=1.4mm,segment length=2mm,post length=1mm}]
    (5,0.5) -- (8,3.5);
    \draw [very thick , dotted , red!80!white] (8,3.5) -- ++(45:0.25);
    \electron{5}{0.5};
    
    
    \end{tikzpicture}
\end{document}

El problema es que la bobina debe ser perpendicular a la dirección B , y no la trayectoria del centro de guía (el código relativo al dibujo de la bobina se encuentra entre ambos comentarios % THIS IS THE FRAGMENT TO DRAW THE BLUE COIL !!!!).

Por lo tanto, mi pregunta de Tikz: ¿Hay alguna manera de obligar a la bobina a mantener la misma inclinación (es decir, perpendicular a B), pero también de seguir la línea punteada púrpura?

Quiero esto (perdón por la mala calidad):

¡Gracias de antemano por tu ayuda!

Respuestas

3 hpekristiansen Aug 18 2020 at 08:09

Primero una versión que no funciona:

\documentclass[tikz]{standalone}
\usetikzlibrary{decorations.pathmorphing}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw [very thick, orange] (0,0) -- (3,3) to[out = 45, in = -180] (7,5) -- (10,5);
\draw [very thick, blue!50, decorate, decoration={coil,amplitude=10mm,segment length=10mm, transform={shift only, rotate=45}}] (0,0) -- (3,3) to[out = 45, in = -180] (7,5) -- (10,5);
\end{tikzpicture}
\end{document}

El transform={shift only, rotate=45}no funciona bien con el morphing trayectoria espiral.

Hago el camino paramétrico: elegí unir las dos secciones rectas por una parábola, y espero que esté bien. Luego dibujo una bobina girada paramétrica agregada a esta ruta:

\documentclass[tikz]{standalone}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
    \draw [very thick, green!50, domain={0:1}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ({3*\t}, {3*\t});
    \draw [very thick, green!50, domain={0:1}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ({4*\t+3},{-2*(\t-1)^2+5});
    \draw [very thick, green!50, domain={0:1}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ({3*\t+7}, {5});
    %
    \draw[very thick, red!50, domain={0:10}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ( {(0.3*\t+0.8*sin((\t*pi-pi/2) r)*cos(45)-cos((\t*pi-pi/2) r)*sin(45)}, {0.3*\t+cos((\t*pi-pi/2) r)} );
    \draw[very thick, red!50, domain={0:10}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ( {(0.4*\t+3+0.8*sin((\t*pi-pi/2) r)*cos(45)-cos((\t*pi-pi/2) r)*sin(45)}, {-2*(0.1*\t-1)^2+5+cos((\t*pi-pi/2) r)} );
    \draw[very thick, red!50, domain={0:5}, smooth, variable=\t, samples=100] plot ( {(0.5*\t+7+0.8*sin((\t*pi-pi/2) r)*cos(45)-cos((\t*pi-pi/2) r)*sin(45)}, {5+cos((\t*pi-pi/2) r)} );
\end{tikzpicture}
\end{document}

Cosas que podrían ser mejores:

Debido a la forma en que inclino la bobina, no comienza en el punto de inicio del camino.
Tanto el camino como la bobina se dibujan en tres secciones. Sería mejor definir una función y dibujar ambas de una vez. De esa manera, no habría uniones y smoothfuncionaría en todo el camino. No se como hacer eso.
Debido a las tres secciones, me veo obligado a elegir cuántos números enteros de bucles agregar en cada sección. Esto hace que los bucles parezcan más espaciados en la primera distancia de la parábola. Quizás se podrían hacer ajustes a la ruta, si la ruta exacta no es crítica, de modo que las secciones tengan longitudes de relación enteras.

Editar:

Me di cuenta de que el punto de partida no es debido a la inclinación, sino porque comienzo el ciclo medio ciclo antes; aquí hay una versión corregida: