научная статья по теме О ПРИБЛИЖЕННЫХ УРАВНЕНИЯХ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО ТЕЛА, НЕСУЩЕГО ДВИЖУЩУЮСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕГО МАТЕРИАЛЬНУЮ ТОЧКУ Математика

Текст научной статьи на тему «О ПРИБЛИЖЕННЫХ УРАВНЕНИЯХ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО ТЕЛА, НЕСУЩЕГО ДВИЖУЩУЮСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕГО МАТЕРИАЛЬНУЮ ТОЧКУ»

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

Том 77. Вып. 2, 2013

УДК 531.36:531.38

© 2013 г. А. П. Маркеев

О ПРИБЛИЖЕННЫХ УРАВНЕНИЯХ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО ТЕЛА, НЕСУЩЕГО ДВИЖУЩУЮСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕГО МАТЕРИАЛЬНУЮ ТОЧКУ

Исследуется динамика сложной системы, состоящей из твердого тела и материальной точки, которая движется по заданному закону вдоль кривой, жестко скрепленной с телом. Система совершает свободное движение в однородном поле тяжести. Выведены дифференциальные уравнения, описывающие вращение тела относительно его центра масс. В двух частных случаях, допускающих введение малого параметра, при помощи асимптотических методов получена приближенная система уравнений движения. Указана точность, с которой решения приближенной системы аппроксимируют решения точных уравнений движения. В одном случае предполагается, что материальная точка имеет массу, малую по сравнению с массой тела, и совершает быстрое движение относительно тела. Показано, что в этом случае приближенная система интегрируема. Указан ряд частных движений тела, описываемого приближенной системой, и исследована их устойчивость. Во втором случае на массу материальной точки не накладывается ограничений, но предполагается, что относительное движение точки быстрое и происходит вблизи заданной точки тела. Показано, что в приближенной системе движение твердого тела относительно его центра масс является движением Эйлера — Пуансо.

Рассматриваемая задача — частный случай общей задачи о движении материальной системы, состоящей из "несущего тела" и материальных точек ("несомых тел"), положение которых относительно "несущего тела" задается конечным числом обобщенных координат [1]. Были изучены [2, 3] некоторые вопросы о движении спутника относительно центра масс при наличии "носимых материальных точек". В частности, исследован вопрос об использовании подвижных точечных масс для стабилизации положения равновесия спутника в орбитальной системе координат [3]. Рассмотрено [4] движение динамически симметричного тела, вдоль оси симметрии которого движется материальная точка по заданному гармоническому закону; при этом тело может соударяться с неподвижной абсолютно гладкой горизонтальной плоскостью, коэффициент восстановления при ударе произволен. Получены условия существования и устойчивости движения тела, при котором оно периодически соударяется с плоскостью и вращается вокруг вертикали с постоянной угловой скоростью. Был изучен [5] ряд вопросов о движении тела, несущего материальную точку, относительно его центра масс в режиме свободного полета тела над плоскостью. В частности, найдены условия существования поступательного движения тела с произвольной геометрией масс, а для случая, когда тело динамически симметрично и несомая точка совершает произвольно заданное движение вдоль оси симметрии, найдено общее решение уравнений движения, обобщающее решение, соответствующее классической регулярной прецессии в случае Эйлера.

1. Уравнения движения. Пусть свободное твердое тело массы М движется относительно некоторой неподвижной (абсолютной) системы координат ОаХаУа1а в однородном поле тяжести. Для описания вращательного движения тела относительно его центра масс О введем жестко связанную с телом систему координат Оху1, направив ее

оси х, у и г вдоль главных центральных осей инерции тела. Соответствующие им главные моменты инерции обозначим через /х, ]у и /г

Предположим, что вдоль некоторой кривой, жестко скрепленной с телом, движется материальная точка Р массы т. Ее положение в системе координат Оху7 определяется вектором ОР, компоненты которого х, у, 7 предполагаются заданными дважды непрерывно дифферецируемыми функциями времени: х = х(), у = у(0,7 = 7(0. Из теоремы о движении центра инерции следует, что в системе координат ОаХаУ^а центр масс С системы, образованной несущим твердым телом и несомой материальной точкой Р, движется либо по параболе, либо вдоль вертикальной прямой. Для получения дифференциальных уравнений, описывающих вращение тела относительно системы координат ОаХаУ^а, воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента.

Пусть ю — вектор угловой скорости тела, его компоненты в системе координат Оху7 обозначим через юх,юу,ю7. Для соответствующих компонент вектора кинетического момента К0 несущего тела относительно его центра масс О имеем выражения [6]

Кох = IхЮх (х, у, 7)

Здесь и в дальнейшем невыписанные соотношения получаются из выписанных круговой перестановкой символов, указанных в круглых скобках.

Пусть Р — сила, которая приложена к несущему телу со стороны несомой им материальной точки Р. Очевидно, что

Г = mg - mw (1.1)

где g — ускорение свободного падения, а w — абсолютное ускорение точки Р.

Из теоремы об изменении кинетического момента имеем следующее векторное уравнение:

нк

+ ю X Ко = ОР X Г (1.2)

Л

Первое слагаемое в левой части этого уравнения представляет собой вектор, компоненты которого равны производным по времени от проекций вектора К0 на оси жестко связанной с несущим телом системы координат Оху7.

Согласно известным [6] соотношениям из кинематики твердого тела и кинематики сложного движения точки, вектор w может быть вычислен по формуле

w = wо + ю х ОР + ю х (ю х ОР) + wr + 2ю х Vг (1.3)

где «0 — абсолютное ускорение точки О несущего тела, ( — его угловое ускорение, а \г и «г — скорость и ускорение точки Р относительно несущего тела. В системе координат Оху7 векторы (а , \г и «г задаются соответственно компонентами ¿ох, х, у, 7 и

х, у, 7', где точкой обозначено дифференцирование по времени I.

С другой стороны, из определения понятия центра масс системы следует очевидное соотношение

(т + М^ = Mw о + mw (1.4)

Из равенств (1.1), (1.3) и (1.4) получаем следующее выражение для силы, приложенной к телу со стороны точки Р:

Г = -ц[ю х ОР + ю х (ю х ОР) + wг + 2ю х Vг] (ц = тМ ) (1.5)

\ т + М!

Подставив это выражение в правую часть уравнения (1.2), получим векторное уравнение вращательного движения несущего тела относительно его центра масс. В скалярной форме оно запишется в виде системы трех уравнений

2 2

[Jx + v(y + г )]c(x - цxy(by - ^xzcoz + (Jz - Jy )®y®z + n[(x®x + yay + zcz )(y®z - z®y) +

+2(yy + zZ( - 2X(y&y + z&z) + yZ - zy] = 0 (x, y, z) (1.6)

Уравнения (1.6) должны быть дополнены кинематическими уравнениями, например, кинематическими уравнениями Эйлера или уравнениями Пуассона. Но сами уравнения (1.6) отделяются от кинематических и могут быть исследованы независимо от них.

Отметим, что динамические уравнения (1.6) допускают интеграл

K2 + к2 + K\ = K2 = const (1.7)

Величины Kx, Ky и Kz — проекции вектора кинетического момента K системы относительно ее центра масс C на оси Ox, Oy и Oz:

Kx = [Jx + ц(у2 + z2)]fflx - y - z + v(yz - zy) (x, y, z) (1.8)

В некоторых частных случаях, например, в случае плоского движения несущего тела или в случае, когда несущее тело динамически симметрично, а точка P движется вдоль его оси симметрии, можно получить [5] общее решение уравнений движения (1.6). Но такие случаи, по-видимому, являются исключительными. Поэтому целесообразно получить приближенные уравнения движения при тех или иных предположениях о характере относительного движения точки P. Эти уравнения могут оказаться более удобными для анализа вращательного движения несущего тела на конечном, но приемлемом для приложений, интервале времени.

Далее приближенные уравнения получены в двух частных случаях: 1) точка P имеет массу, малую по сравнению с массой несущего тела, а ее относительное движение быстрое, 2) на массу точки не накладывается ограничений; предполагается, что ее движение быстрое и происходит в малой окрестности заданной точки несущего тела. В обоих случаях предполагается, что относительное движение точки P — периодическое (с частотой Q) или условно-периодическое (с частотами Q1,Q2, ...,Q„).

2. Приближенные уравнения в случае быстрого относительного движения точки P малой массы. Пусть масса m точки P мала по сравнению с массой M несущего тела. Это предположение позволяет ввести в уравнения движения (1.6) малый параметр s. Определим его при помощи равенства

m = е2M (0 < е ^ 1) (2.1)

Преобразование уравнений движения. Будем считать, что величина Q велика по сравнению с величиной угловой скорости ш несущего тела (ю ~ sQ); Q — частота относительного движения точки P (в случае его периодичности) или наибольшая из частот Q1;Q2, (в случае, когда относительное движение точки условно-периодиче-

ское). Сделаем в уравнениях движения (1.6) замену переменных по формулам

т = Qt, юx = sQgx (x, y, z) (2.2)

Далее производную по безразмерной независимой переменной т обозначаем штрихом. Учитывая соотношения (2.1) и (2.2), уравнения (1.6) можно записать в виде

!ха'х + е(/? - 'у)ог + гМ{у1" - гу") + 3)

+ 2е2М[ (уу' + гг')ох - х'(уау + гог) ] +... = 0 (х, у, г)

многоточием обозначены слагаемые третьей и более высоких степеней относительно е.

Упростим уравнения (2.3), исключив из них независимую переменную т до членов порядка е2 включительно. С этой целью по алгоритму метода усреднения для систем в стандартной форме [7] построим близкую к тождественной периодическую (или условно-периодическую) замену переменных ох, оу, ог ^ цх, цу, цг, задаваемую многочленами второй степени относительно е . Вычисления показывают, что эта замена может быть задана равенствами

ох = цх + еМ (гу - у?') + О(е2) (х, у, г) (2.4)

' х

Члены второй степени относительно е здесь явно не выписаны, так как они далее не понадобятся.

В новых переменных уравнения движения (2.3) записываются в виде

-Г1

'х цх + £— - 1у)ЦуЦг ~т ХзЦу| + --- = 0 (х, у, г) (2.5)

О

'у Х„ 'г

XI = {¿у) (х, у, 2,3)

Угловыми скобками обозначено усреднение по времени, а многоточие, как и выше, обозначает совокупность слагаемых выше второй степени относительно е .

Укороченная система уравнений, получаемая из системы (2.5) отбрасыванием членов выше второй степени относительно е , будет автономной. Ее решения аппроксимируют решения системы уравнений (2.3) с погрешностью порядка е3—8 на интервале

значений т, длина которого имеет порядок £-8 (0 < 5 < 3).

Приб

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком