научная статья по теме ТРЕНИЕ ПО ПЕНЛЕВЕ И ЛАГРАНЖЕВА МЕХАНИКА Математика

Текст научной статьи на тему «ТРЕНИЕ ПО ПЕНЛЕВЕ И ЛАГРАНЖЕВА МЕХАНИКА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 438, № 6, с. 758-761

МЕХАНИКА

УДК 531.01

ТРЕНИЕ ПО ПЕНЛЕВЕ И ЛАГРАНЖЕВА МЕХАНИКА

© 2011 г. Академик В. В. Козлов

Поступило 23.03.2011 г.

1. ТРЕНИЕ ПО ПЕНЛЕВЕ

Пусть х = {х'}, 1 < ' < п, — обобщенные координаты, Т(х, х, 0 — кинетическая энергия системы, х, х, 0 — обобщенная сила. Предположим, что на систему наложена связь

(а, х) = а ¡х' = Ь, (1)

в общем случае неинтегрируемая. Все сказанное ниже просто переносится на общий случай нескольких независимых связей. Компоненты ко-вектора а = {а} гладко зависят от положения и времени; предполагается, что а Ф 0.

Положим

А = {А':} , А': =

д2 Т

(2)

= 0 + Я,

(4)

С учетом (3) получаем

Я = Ха ,

а множитель X однозначно находится из уравнения движения (4) с учетом уравнения связи (1) как однозначная скалярная функция от состояния системы х, х и времени t. Величину

N = {А1 Я, Я )1/2

(6)

дх дхХ

Ясно, что А — дважды ковариантный симметричный тензор. Предполагается, что п х п-матрица А положительно определена для всех состояний системы и времени. Следовательно, этот тензор определяет евклидову метрику в касательном пространстве (пространстве скоростей). Положим

<а, р> = (Аа, р) = А':а в;

это — скалярное произведение векторов а и р, задаваемое метрикой (2). В дуальном пространстве ковекторов (куда входят, в частности, силы) евклидова метрика задается обратной матрицей А-1. Введем еще векторы возможных перемещений = {£,'}. Они удовлетворяют линейному однородному уравнению

(а, %) = а£ = 0. (3)

Уравнение движения рассматриваемой системы можно записать в виде уравнения Лагранжа

с-дт - дТ

Сдх дх

где Я — реакция связи (1). Если эта связь идеальная, то работа реакции на всех возможных перемещениях системы равна нулю:

(Я, %) = Я£ = 0. (5)

Математический институт им. В.А. Стеклова Российской Академии наук, Москва

можно назвать давлением системы на связь.

Если связь (1) не идеальная ("шероховатая"), то соотношение (5) уже не справедливо. Можно ли и в этом случае однозначно разделить силу Я собственно на реакцию связи и на силу трения? Положим

Я = Ха + Я', X е К, (7)

причем ковекторы а и Я ортогональны во внутренней метрике:

< а, Я'> * = (А'1 а, Я') = 0.

Разложение (7), очевидно, однозначное. Силу Я назовем силой трения по Пенлеве. В частности, вектор А—1Я' будет одним из возможных перемещений. Если мы говорим о трении, то должно выполняться неравенство

(Я', х)< 0.

Сам Пенлеве рассматривал системы, состоящие из конечного набора материальных частиц в трехмерном евклидовом пространстве, с наложенными голономными связями [1]. Следующее утверждение — простое обобщение наблюдения Пенлеве.

Те о р е м а 1. Ковектор Ха в (7) — реакция связи (1) в предположении, что она идеальная.

Другими словами, не решая уравнений движения (1) и (4), множитель X можно найти как функцию от х, х и t, причем она не зависит от слагаемого Я'.

Действительно, уравнение (4) имеет следующий явный вид:

Ах = Ф + X а + Я', (8)

где Ф — известная вектор-функция от состояния и времени. Продифференцируем уравнение связи по t : (а, х) = с, где с — известная скалярная функ-

ция от х, х, t. Подставим сюда ускорение, найденное из (8):

Х(а, А-а) + (а, А^Ф) + (а, А'1 Я') = с.

Остается заметить, что (а, А-1а) Ф 0 и (a, A 1К) = 0 ввиду предположения об ортогональности ковек-торов a и К.

Замечание. Если в разложении (7) ковекто-ры a и К считать ортогональными в какой-либо другой евклидовой метрике, то теорема 1 уже, как правило, не будет справедливой: множитель X обязательно будет зависеть от силы К.

Согласно (7) работы сил К и К на всех возможных перемещениях совпадают. С другой стороны, по теореме Пифагора,

<Я, Я)* = X2<а, а)* + <Я', Я')*,

поскольку ковекторы а и К ортогональны. Следовательно,

<Я, Я)* ><Я', Я')*, (9)

причем равенство имеет место, лишь когда К = К'. Неравенство (9) можно записать в виде

(А1 Я, Я) > (А'1 Я', Я'). Отсюда вытекает

Теорем а 2. Среди сил с одной и той же работой на возможных перемещениях сила трения по Пенлеве имеет наименьшую длину во внутренней метрике.

Для движения в трехмерном евклидовом пространстве эта теорема также имеется у Пенлеве [1].

СУХОЕ ТРЕНИЕ В ЛАГРАНЖЕВЫХ СИСТЕМАХ

Развиваемый подход позволяет сформулировать обобщенный закон Амонтона—Кулона сухого трения для лагранжевых систем общего вида с однородными связями (когда Ь = 0):

Я' = -^Х. (10)

|Х|

Здесь N — давление системы на связь — дается формулой (6), причем реакция связи вычисляется без учета трения,

|х| = (Ах, х)1/2

есть величина скорости, а Ф — оператор анизотропного сухого трения, который может зависеть от положения системы х и времени t. Этот оператор удовлетворяет следующим двум условиям:

1°. (Фх, х) > 0 для всех скоростей х, удовлетворяющих уравнению связи (а, х) = 0;

2°. ФгА-1а = ца для некоторого ц е К.

Первое свойство отвечает общему условию диссипации энергии при наличии трения, а второе — условию, что вектор

А"1 Я' = рА_1Фх, р = -¡^,

|х|

есть возможное перемещение рассматриваемой системы. Тогда

0 = (а, А^Фх) = (Ф А а, х)

для всех х, удовлетворяющих уравнению (а, х) = 0. Отсюда вытекает условие 2°.

Если Ф = кА (к > 0), то условие 2° заведомо выполнено. Такое сухое трение естественно назвать изотропным. Положительное число к имеет смысл приведенного коэффициента трения.

Подчеркнем, что при условии 2° множитель X в (7) не зависит от тензора трения Ф. Однако в ряде примеров, предложенных самим Пенлеве и его последователями (см. [1, 2]), это условие не выполнено, что приводит к зависимости множителя X от коэффициента сухого трения. В частности, при достаточно больших коэффициентах трения давление системы имеет сингулярности. Поэтому движение системы не определено при всех начальных состояниях, что приводит к так называемым парадоксам Пенлеве. Однако настоящий парадокс Пенлеве заключается в том, что трение в примерах Пенлеве не является трением по Пен-леве.

Следует иметь в виду, что формула сухого трения Амонтона—Кулона (10) определена в случае движения системы (когда х Ф 0). Этот закон можно дополнить следующим "принципом покоя": сила сухого трения покоя по величине не превосходит возможной силы трения того же направления при движении системы. Такое дополнение закона Амонтона—Кулона (впрочем, как и сам закон) является приближенным, поскольку (как хорошо известно) коэффициент сухого трения при движении на самом деле меньше статического коэффициента трения (см. по этому поводу [3]).

ЗАДАЧА О ТОРМОЗНОЙ КОЛОДКЕ

В качестве примера развиваемой теории сухого трения рассмотрим известную задачу о тормозной колодке (см. [2, 4]). При традиционном подходе в этой задаче также имеет место парадокс Пенлеве (рис. 1).

Рассмотрим систему, состоящую из диска, вращающегося вокруг точки О, и собственно тормозной колодки, которая может вращаться вокруг неподвижной точки О1.

Если предположить, что диск и колодка взаимодействуют посредством горизонтальных сил сухого трения с коэффициентом ц, то при условии

ац - Ь > 0 (11)

760

КОЗЛОВ

----ф = 0

Рис. 1.

Рис. 2.

имеет место парадокс Пенлеве: элементарный анализ приводит к противоречиям и движение системы вообще не определено (см. [2, 4]). В [4] этот парадокс устраняется с помощью введения продольной или поперечной упругости взаимодействующих тел (например, колодки), как это делалось в ранних работах Лекорню и Прандтля.

В [5] утверждается, что при условии (11) диск вообще нельзя повернуть против часовой стрелки. Ниже дан анализ задачи в рамках развиваемого лагранжева формализма.

Эта система имеет две степени свободы; в качестве обобщенных координат примем углы поворота у и ф диска и колодки соответственно (рис. 1). На систему наложена односторонняя связь

Г = ф> 0.

(12)

Строго говоря, имеется еще одно одностороннее ограничение, отвечающее касанию колодки и диска с противоположной стороны. Но мы ограничимся изучением системы в окрестности связи (12). Точнее, будут рассматриваться движения системы с двусторонней связью / = 0 при учете возможности схода с этой связи. Так что координаты у и ф будут избыточными.

Кинетическая энергия системы равна

гт I .2 / .2 Т = 2у + /ф,

где 1(1) — момент инерции диска (колодки) относительно точки О(О1). Пусть т — масса колодки, g — ускорение свободного падения. Предположим, что на диск действует момент М. Следуя п. 2, введем еще тензор анизотропного сухого трения

Ф=

а р у 5

вид которого предстоит еще уточнить. Во-первых, матрица Ф + Фг должна быть неотрицатель-

но определенной. С другой стороны, согласно условию 2°,

а р у 5

Г о о I-1

Откуда р = 0. Условие диссипации сводится к неравенствам

а > 0, 5 > 0 и 4а5 > у2.

Запишем теперь уравнения движения с учетом формулы (10) для обобщенной силы сухого трения:

N

/ф = _ <? + х К _ дф

Iу = М - -

дф л//у2 + 1ф N

2

:аф,

(13)

:(у(р + 5у ).

л//уу2 + 1(р2

Здесь V — потенциальная энергия колодки в однородном силовом поле. К этим уравнениям надо добавить уравнение связи / = ф = 0. Ясно, что производная ^ при ф = 0 равна —mgЬ.

Подставляя ф = 0 в первое уравнение и считая диск вращающимся (у Ф 0), получим, что X = mgЬ.

Следовательно, N = — = тЬ и второе уравне-

4/ 4~/

ние принимает вид

У ^

1у = М - mgЬ ц ¡-¡¡-г

ц=

Это — обычное уравнение вращения диска с сухим трением. Роль безразмерного коэффициента трения играет ц.

Главное во всем этом деле — равенство нулю коэффициента р. Именно благодаря этому множитель Лагранжа X не зависит от коэффициентов трения и задача в целом становится корректной. Отметим, что элементы а и у оператора трения Ф не оказывают никакого влияния на вращение

ц

диска. Так что сухое трение в этом примере можно считать изотропным (в смысле определения п. 2).

Условие р = 0 имеет ясный механический смысл: диск и колодка взаимодействуют в точке контакта с силами Ш и Ш', линия действия которых проходит через точку 01 (рис. 2). Силы Ш и Ш' в сумме дают нуль. При этом сила Ш, с которой диск действует на колодку, не оказывает никакого влияния на движение колодки (в рамках гипотезы о твердых телах). Однако сила Ш оказывает тормозящее действие на вращение диска: ее момент относительно т

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