Замкнутые системы связанных твердых тел

Рассмотрена конечномерная модель замкнутого упругого стержня, позволяющая изучать системы с большим прогибом. Применен общий подход записи уравнений движения замкнутой системы п тел, исходя из законов об изменении количества движения и момента количества движения тела Sk. Получено выражение для упру...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Механика твердого тела
Datum:2006
Hauptverfasser: Болграбская, И.А., Савченко, А.Я., Щепин, Н.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2006
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123796
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Замкнутые системы связанных твердых тел / И.А. Болграбская, А.Я. Савченко, Н.Н. Щепин // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 36. — С. 94-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859808365549453312
author Болграбская, И.А.
Савченко, А.Я.
Щепин, Н.Н.
author_facet Болграбская, И.А.
Савченко, А.Я.
Щепин, Н.Н.
citation_txt Замкнутые системы связанных твердых тел / И.А. Болграбская, А.Я. Савченко, Н.Н. Щепин // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 36. — С. 94-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Механика твердого тела
description Рассмотрена конечномерная модель замкнутого упругого стержня, позволяющая изучать системы с большим прогибом. Применен общий подход записи уравнений движения замкнутой системы п тел, исходя из законов об изменении количества движения и момента количества движения тела Sk. Получено выражение для упругого момента, которое при n → ∞ совпадает с моментом, вводимым в теории упругих стержней. Исследованы положения равновесия изучаемой системы. Подробно изучен случай плоской осевой линии стержня. В явном виде найдены два решения: в одном из них моделируемая ось стержня представляет кольцо, а во втором - восьмерку.
first_indexed 2025-12-07T15:18:19Z
format Article
fulltext ISSN 0321-1975. Ìåõàíèêà òâåðäîãî òåëà. 2006. Âûï. 36 ÓÄÊ 531.38 c©2006. È.À. Áîëãðàáñêàÿ, À.ß. Ñàâ÷åíêî, Í.Í. Ùåïèí ÇÀÌÊÍÓÒÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÑÂßÇÀÍÍÛÕ ÒÂÅÐÄÛÕ ÒÅË Ðàññìîòðåíà êîíå÷íîìåðíàÿ ìîäåëü çàìêíóòîãî óïðóãîãî ñòåðæíÿ, ïîçâîëÿþùàÿ èçó÷àòü ñèñòåìû ñ áîëüøèì ïðîãèáîì. Ïðèìåíåí îáùèé ïîäõîä çàïèñè óðàâíåíèé äâèæåíèÿ çàìêíóòîé ñèñòåìû n òåë, èñõîäÿ èç çàêîíîâ îá èçìåíåíèè êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ è ìîìåíòà êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ òåëà Sk. Ïîëó- ÷åíî âûðàæåíèå äëÿ óïðóãîãî ìîìåíòà, êîòîðîå ïðè n→∞ ñîâïàäàåò ñ ìîìåíòîì, ââîäèìûì â òåîðèè óïðóãèõ ñòåðæíåé. Èññëåäîâàíû ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ èçó÷àåìîé ñèñòåìû. Ïîäðîáíî èçó÷åí ñëó÷àé ïëîñêîé îñåâîé ëèíèè ñòåðæíÿ.  ÿâíîì âèäå íàéäåíû äâà ðåøåíèÿ: â îäíîì èç íèõ ìîäåëèðóåìàÿ îñü ñòåðæíÿ ïðåäñòàâëÿåò êîëüöî, à âî âòîðîì � âîñüìåðêó. Ââåäåíèå.  ðàáîòå [1] ïðåäñòàâëåíà êîíå÷íîìåðíàÿ ìîäåëü óïðóãîãî ñòåðæíÿ, ïîçâîëÿþùàÿ èçó÷àòü ñèñòåìû ñ áîëüøèì ïðîãèáîì. Ïðè çàïèñè ïîòåíöèàëüíîé ýíåð- ãèè ñèñòåìû ïîëàãàëîñü, ÷òî óãëû Êðûëîâà ψk, θk, ϕk (k = 1, n), îïðåäåëÿþùèå ïîëî- æåíèå ñâÿçíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò ïî îòíîøåíèþ ê èíåðöèàëüíîé, ìîãóò ïðèíèìàòü ïðîèçâîëüíûå çíà÷åíèÿ, îäíàêî èõ ðàçíîñòè ψk+1 − ψk, θk+1 − θk, ϕk+1 − ϕk ìàëû. Çàïè- ñàííûå â [1] óðàâíåíèÿ Ëàãðàíæà ëèíåéíû ïî ðàçíîñòè óãëîâ.  íàñòîÿùåé ñòàòüå ïðåäëîæåí îáùèé ïîäõîä çàïèñè óðàâíåíèé äâèæåíèÿ çàìêíó- òîé ñèñòåìû, ïîäîáíî [2], èñõîäÿ èç çàêîíîâ îá èçìåíåíèè êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ è ìîìåí- òà êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ òåëà Sk. Ïîëó÷åíî âûðàæåíèå äëÿ óïðóãîãî ìîìåíòà, êîòîðîå ïðè n → ∞ ñîâïàäàåò ñ ìîìåíòîì, ââîäèìûì â òåîðèè óïðóãèõ ñòåðæíåé [3]. Èññëå- äîâàíèå ïîëîæåíèé ðàâíîâåñèÿ èçó÷àåìîé ñèñòåìû ïîçâîëèëî íàéòè â ÿâíîì âèäå íå òîëüêî ðåøåíèÿ, íàéäåííûå â [1], íî è ðåøåíèÿ òèïà "âîñüìåðêè". Èìåííî ýòè ðåøåíèÿ îòìå÷åíû êàê òî÷íûå ðåøåíèÿ â ðàáîòàõ [4�7] äëÿ çàìêíóòîé óïðóãîé îñè ñòåðæíÿ, â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî îíà ïëîñêàÿ. 1. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è. Óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ. Ðàññìîòðèì ñîâîêóïíîñòü ãèðî- ñêîïîâ Ëàãðàíæà Sk (k = 1, n), ñâÿçàííûõ â òî÷êàõ Ok ïåðåñå÷åíèÿ èõ îñåé ñèììåòðèè óïðóãèìè ñôåðè÷åñêèìè øàðíèðàìè. Ïîëàãàåì, ÷òî íà ñèñòåìó íå äåéñòâóþò âíåøíèå ñèëû è ìîìåíòû, âñëåäñòâèå ÷åãî åå öåíòð ìàññ C íåïîäâèæåí. Ñâÿæåì ñ íèì èíåðöè- àëüíóþ ñèñòåìó êîîðäèíàò CXY Z (îðòû ex, ey, ez), à ñ êàæäûì òåëîì Sk− ñâÿçàííóþ ñèñòåìó êîîîðäèíàò CkXkYkZk (îðòû e1 k, e 2 k, e 3 k), ãäå Ck � öåíòð ìàññ òåëà Sk, à îñü CkZk íàïðàâëåíà âäîëü îñè ñèììåòðèè òåëà Sk. Îïðåäåëèì ïîëîæåíèå ñâÿçàííîé ñèñòåìû êîîðäèíàò ïî îòíîøåíèþ ê èíåðöèàëü- íîé óãëàìè Êðûëîâà ψk, θk, ϕk. Ïîëàãàÿ, êàê è â [1], ÷òî èçó÷àåìàÿ ñèñòåìà çàìêíóòà (ò.å. O1 = On+1), ïîëó÷àåì, ÷òî ýòè óãëû äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü ñîîòíîøåíèÿì n∑ k=1 hk sinψk cos θk = 0; n∑ k=1 hk sin θk = 0; n∑ k=1 hk cosψk cos θk = 0, (1) ãäå hk = OkOk+1. Äåéñòâèå òåëà Sk−1 íà Sk õàðàêòåðèçóåò ñèëà Rk è ìîìåíò Lk, ïðèëîæåííûå â òî÷êå Ok, à äåéñòâèå òåëà Sk+1 íà Sk ñîîòâåòñòâåííî ñèëà −Rk+1 è ìîìåíò −Lk+1, ïðèëîæåííûå â òî÷êå Ok+1. Êàê è â [2], óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ öåíòðà ìàññ òåëà Sk è óðàâíåíèÿ èçìåíåíèÿ ìî- 94 Çàìêíóòûå ñèñòåìû ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë ìåíòà êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ òåëà Sk îòíîñèòåëüíî Ok ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå: mkv̇ c k = Rk −Rk+1; (2) (Âkωk) • +mkck × v̇k = Lk − Lk+1 − hk ×Rk+1. (3) Çäåñü k = 1, n; Âk− òåíçîð èíåðöèè òåëà Sk â òî÷êå Ok; mk− ìàññà òåëà Sk; ωk− åãî óãëîâàÿ ñêîðîñòü; vc k è vk− ñîîòâåòñòâåííî ñêîðîñòè òî÷åê Ck è Ok; ck = OkCk. Ïîñêîëüêó ñèñòåìà çàìêíóòà (O1 = On+1), òî Rn+1 = R1, Ln+1 = L1. Ñêîðîñòè vk è vc k ðàâíû [2] vk = k−1∑ i=1 ωi × hi, vc k = vk + ωk × ck, (4) à êîìïîíåíòû pk, qk, rk àáñîëþòíîé óãëîâîé ñêîðîñòè ωk íà îñè ñâÿçàííîé ñèñòåìû êî- îðäèíàò èìåþò âèä pk = ψ̇k cos θk sinϕk + θ̇k cosϕk, qk = ψ̇k cos θk cosϕk − θ̇k sinϕk, rk = ϕ̇k − ψ̇k sin θk. (5) Çàâèñèìîñòü æå óïðóãèõ ìîìåíòîâ Lk îò îáîáùåííûõ êîîðäèíàò ïîëó÷èì, èñõîäÿ èç ïîëîæåíèé òåîðèè óïðóãèõ ñòåðæíåé. 2. Ìîìåíò â óïðóãîì øàðíèðå.  òåîðèè óïðóãèõ ñòåðæíåé ñâÿçü ìåæäó ãåîìåò- ðè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè è ñèëàìè, äåéñòâóþùèìè â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ñòåðæ- íÿ, îïðåäåëÿåòñÿ èç çàêîíà Êèðõãîôà�Êëåáøà [3].  ñëó÷àå, êîãäà ãëàâíûå îñè èçãèáà è êðó÷åíèÿ ñîâïàäàþò ñ ãëàâíûìè îñÿìè èíåðöèè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ è ìàòåðèàë ñòåðæíÿ èçîòðîïåí (èìåííî òàêèå ñèììåòðè÷íûå îáúåêòû çäåñü è ðàññìàòðèâàþòñÿ), åãî óïðóãèé ìîìåíò ðàâåí M = c21(κ1e1 + κ2e2) + c22κ3e3, (6) ãäå c21, c 2 2 � ñîîòâåòñòâåííî èçãèáíàÿ è êðóòèëüíàÿ æåñòêîñòè, e1, e2, e3− îðòîãîíàëüíûé áàçèñ, â êîòîðîì âåêòîð e3 íàïðàâëåí ïî êàñàòåëüíîé ê îñåâîé ëèíèè ñòåðæíÿ, à âåêòîðû e1, e2− ïî ãëàâíûì öåíòðàëüíûì îñÿì èíåðöèè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ (ei = ei(s), ãäå s− äóãîâàÿ êîîðäèíàòà), κi− êîìïîíåíòû âåêòîðà Äàðáó â ïðîåêöèÿõ íà îñè ei.  (6) ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî â íåäåôîðìèðîâàííîì ñîñòîÿíèè îñü ñòåðæíÿ ïðÿìîëè- íåéíà. Âåêòîð Äàðáó κ îïðåäåëÿåòñÿ êàê âåêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ áàçèñà e1e2e3 ïðè åãî äâèæåíèè ïî îñè ñòåðæíÿ. Ïðîèçâîäíûå âåêòîðîâ áàçèñà èìåþò âèä dei ds = κ × ei, i = 1, 2, 3. (7) Óìíîæàÿ âåêòîðíî îáå ÷àñòè ðàâåíñòâà (7) íà ei ïîëó÷èì ei × dei ds = ei × (κ × ei) = κ − κiei, îòêóäà, ñóììèðóÿ, íàõîäèì 3∑ i=1 ei × dei ds = 2κ. 95 È.À. Áîëãðàáñêàÿ, À.ß. Ñàâ÷åíêî, Í.Í. Ùåïèí Âåêòîð κ ìîæåò áûòü âûðàæåí êàê κ = 1 2 3∑ i=1 ei × dei ds . (8) Ââåäåííàÿ âûøå ñèñòåìà n ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë ÿâëÿåòñÿ êîíå÷íîìåðíîé ìîäåëüþ óïðóãîãî ñòåðæíÿ. Òîãäà òî÷êàì Ok (øàðíèðíûì ñîåäèíåíèÿì òåë), ðàñïîëîæåííûì íà îñåâîé ëèíèè, ñîîòâåòñòâóþò äóãîâûå êîîðäèíàòû s = k∑ i=1 hi, ãäå hi = OkOk+1, k = 1, n. Ïðîèçâîäíàÿ dei ds , îòðàæàþùàÿ èçìåíåíèå íàïðàâëåíèÿ áàçèñíîãî âåêòîðà ei âäîëü îñè ñòåðæíÿ â êîíå÷íîìåðíîì ñëó÷àå, ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà òàê dei ds ≈ ei k − ei k−1 h , (9) ãäå ïîëàãàëîñü ds = h = min k hk (â ñëó÷àå îäèíàêîâûõ òåë hk = h). Èç (8) ñ ó÷åòîì (9) ïîëó÷èì κk = 1 2h 3∑ i=1 (ei k−1 × ei k), (10) ãäå κk− äèñêðåòíûé àíàëîã âåêòîðà Äàðáó κ â òî÷êå Ok . Ïî àíàëîãèè ñ (6), îáîçíà÷èì êîìïîíåíòû κk íà îñè ñâÿçàííîé ñèñòåìû êîîðäèíàò κi k (i = 1, 2, 3). Òîãäà óïðóãèé ìîìåíò Lk ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí òàê Lk = c21(κ1 ke 1 k + κ2 ke 2 k) + c22κ3 ke 3 k. (11) Êàê è â [1, 4 � 7], íèæå áóäåò èçó÷åí ñëó÷àé, êîãäà îñåâàÿ ëèíèÿ ïëîñêàÿ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî äëÿ âñåõ òåë ψk = 0 (k = 1, n), ïðè ýòîì îñåâàÿ ëèíèÿ è êàñàòåëüíûå ê íåé îðòû e3 k íàõîäÿòñÿ â ïëîñêîñòè Oyz. Ó÷èòûâàÿ âûðàæåíèÿ äëÿ íàïðàâëÿþùèõ êîñèíóñîâ óãëîâ Êðûëîâà θk, ϕk [2], îïðåäåëÿþùèõ ïîëîæåíèå ñâÿçàííûõ ñèñòåì êîîðäèíàò Oykzk ïî îòíîøåíèþ ê èíåðöèàëüíîé Oyz, èç (10) íàõîäèì κ1 k = 1 2h sin(θk − θk−1)(cosϕk + cosϕk−1), κ2 k = 1 2h sin(θk − θk−1)(sinϕk + sinϕk−1), (12) κ3 k = 1 2h sin(ϕk − ϕk−1)[1 + cos(θk − θk−1)]. Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ïðè h → 0 èç (7), (9) ñëåäóåò lim h→0 κi k = κi (i = 1, 2, 3). Ôîðìóëà (12) äàåò âûðàæåíèå êîìïîíåíò âåêòîðà Äàðáó äëÿ ïëîñêîé êðèâîé â ñëó÷àå ó÷åòà ãåîìåòðè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè. 3. Ïîëîæåíèå ðàâíîâåñèÿ â ñèñòåìå. Ïîëàãàåì â (2)�(5) ñêîðîñòè îáîáùåííûõ êîîðäèíàò ðàâíûìè íóëþ, ïðè ýòîì vk = vc k = ωk = 0. Òîãäà ïîëîæåíèå ðàâíîâåñèÿ òåëà Sk (θk = θ0 k, ϕk = ϕ0 k) ìîæåò áûòü íàéäåíî èç óðàâíåíèé Rk = Rk+1 = R, (13) 96 Çàìêíóòûå ñèñòåìû ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë Lk − Lk+1 − hk ×Rk+1 = 0. (14) Ïîñêîëüêó äâèæåíèå ïðîèñõîäèò â ïëîñêîñòè Oyz, èìååì R = Ryey +Rzez. (15) Òàê êàê h = hk(− sin θkey + cos θkez), òî èç (13)�(15) ïîëó÷àåì Lx k − Lx k+1 + hk(Rz sin θk +Ry cos θk) = 0, (16) Ly k = Ly k+1, Lz k = Lz k+1. (17) Çäåñü âåðõíèå èíäåêñû x, y, z îçíà÷àþò ïðîåêöèè ìîìåíòîâ Lk è Lk+1 ñîîòâåòñòâåííî íà îñè ex, ey, ez. Ïðîåêòèðóÿ (11) ñ ó÷åòîì (12) íà ex, ey, ez, ïîëó÷èì Lx k = c21 2h sin(θk − θk−1)[1 + cos(ϕk − ϕk−1)], (18) L3 k = −Ly k sin θk + Lz k cos θk = c22 2h sin(ϕk − ϕk−1)[1 + cos(θk − θk−1)], (19) ãäå L3 k = Lk·e3 k.  ñëó÷àå, êîãäà îòñóòñòâóåò êðóòêà (ϕk = ϕk−1), âûðàæåíèå äëÿ óïðóãîãî ìîìåíòà ñîâïàäàåò ñî ââåäåííûì â [8] äëÿ óïðóãîãî óíèâåðñàëüíîãî øàðíèðà. Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ðàçíîñòü ϕk − ϕk−1 ìàëà, è ëèíåàðèçîâàòü (18), (19) ïî ìàëûì âåëè÷èíàì ϕk−ϕk−1, òî ñ òî÷íîñòüþ äî ÷ëåíîâ âòîðîãî ïîðÿäêà ìàëîñòè èìååì Lx k = c21 h sin(θk − θk−1); (20) L3 k = c22 2h (ϕk − ϕk−1)[1 + cos(θk − θk−1)]. (21) Ïîäñòàâëÿÿ (20), (21) â (16), (17), ïîëó÷àåì óðàâíåíèÿ ðàâíîâåñèÿ â âèäå sin(θk+1 − θk)− sin(θk − θk−1) = ak(Rz sin θk +Ry cos θk); (22) bkϕk−1 − (bk + bk+1)ϕk + bk+1ϕk+1 = 0, (23) ãäå ak = hkh c21 , bk = c22 2h [1 + cos(θk − θk−1)], k = 1, n. Ïîñêîëüêó ñèñòåìà çàìêíóòà (O1 = On+1), â (23) ïîëàãàëîñü ϕ0 = ϕn; ϕn+1 = ϕ1; θ0 = θn; θn+1 = θ1. Ê ñèñòåìå (22) ñëåäóåò äîáàâèòü óðàâíåíèÿ ñâÿçè (1), êîòîðûå â ñëó÷àå ψk = 0 ïðèíèìàþò âèä n∑ k=1 hk cos θk = 0; n∑ k=1 hk sin θk = 0. (24) 97 È.À. Áîëãðàáñêàÿ, À.ß. Ñàâ÷åíêî, Í.Í. Ùåïèí Ñèñòåìà (22)�(24) çàìêíóòà îòíîñèòåëüíî âåëè÷èí ϕk, θk (k = 1, n), Ry, Rz. Ïåðåìåí- íûå, îïèñûâàþùèå ôîðìó óïðóãîé ëèíèè, îïðåäåëÿþòñÿ èç óðàâíåíèé (22),(24), à óãëû êðó÷åíèÿ ϕk íàõîäÿòñÿ èç ëèíåéíîé ñèñòåìû (23). Îòìåòèì, ÷òî ïîñêîëüêó ñóììà ýëå- ìåíòîâ âñåõ ñòðîê (èëè ñòîëáöîâ) îïðåäåëèòåëÿ ñèñòåìû óðàâíåíèé (23) ðàâíà íóëþ, òî îí ðàâåí íóëþ, è ñèñòåìà èìååò íåíóëåâîå ðåøåíèå. 4. Òî÷íîå ðåøåíèå â ñëó÷àå êðóãîâîé îñè ñòåðæíÿ.  ðàáîòàõ [4�7] óñòàíîâ- ëåíî, ÷òî îäíà èç âîçìîæíûõ ïëîñêèõ ôîðì ðàâíîâåñíîé îñè � êðóãîâàÿ. Ïðè ýòîì θ(s) = 2kπs L + δ, ϕ(s) = 2kπs L + δ1, k = 1, 2, 3, ..., (25) ãäå L − äëèíà êðèâîé, δ, δ1 − ïðîèçâîëüíûå ïîñòîÿííûå.  ðàáîòå [1] ïðè èçó÷åíèè óðàâíåíèé ðàâíîâåñèÿ êîíå÷íîìåðíîé ìîäåëè çàìêíóòî- ãî óïðóãîãî ñòåðæíÿ, çàïèñàííîé â ïðåäïîëîæåíèè ìàëîñòè ðàçíîñòè óãëîâ θk − θk−1, ϕk − ϕk−1 (k = 1, n), áûëî íàéäåíî ðåøåíèå ϕk = 2kπ/n+ α1, (26) θk = 2kπ/n+ α, (27) ãäå α, α1 − ïðîèçâîëüíûå ïîñòîÿííûå. Ïîëàãàÿ, ÷òî äëèíà êðèâîé L â (25) ðàâíà 2π, (s = 2π/n), íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî ðåøåíèå (26), (27) ñîâïàäàåò ñ ðåøåíèåì (25), ïîëó÷åííûì äëÿ íåïðåðûâíîé ñòåðæíåâîé ìîäåëè. Ýòî ðåøåíèå óäîâëåòâîðÿåò óðàâíåíèÿì (24), è, êðîìå òîãî, èç (26), (27) ñëåäóåò ϕk − ϕk−1 = θk − θk−1 = 2π/n = const, îòêóäà ïîëó÷èì bk = c22 [ 1 + cos 2π n ] /(2h) = const, (28) è ñèñòåìà (23) ïðèíèìàåò âèä ϕk−1 − 2ϕk + ϕk+1 = 0 (k = 1, n). (29) Ñèñòåìà (29) ñîâïàäàåò ñ ïîëó÷åííîé â ðàáîòå [1] è èìååò ðåøåíèå (26) ïðè óñëîâèè ϕ0 = 2π + ϕn, ϕn+1 = ϕ1 − 2π. Åñëè Ry = Rz = 0, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ λ = 0 â óïðóãèõ ñòåðæíåâûõ ñèñòåìàõ [4�7], òî ðåøåíèå (27) óäîâëåòâîðÿåò è ñèñòåìå óðàâíåíèé (22). Çàìå÷àíèå. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ðåøåíèå (26), (27) ñóùåñòâóåò ó ñèñòåìû è â îá- ùåì ñëó÷àå, áåç ïðåäïîëîæåíèÿ ìàëîñòè êðóòêè (ϕk−ϕk−1), ïîñêîëüêó èç (28),(18),(19) ñëåäóåò L3 k = const, Lx k = const, è ïðè óñëîâèè Ry = Rz = 0 ñèñòåìà (16), (17) óäîâëå- òâîðåíà. 5. Ðåøåíèå òèïà "âîñüìåðêè".  ðàáîòàõ [4�7] äëÿ ïëîñêîé îñåâîé ëèíèè óïðó- ãîãî ñòåðæíÿ áûëî íàéäåíî åùå îäíî òî÷íîå ðåøåíèå, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò êîíôèãó- ðàöèè óïðóãîé ëèíèè âèäà "âîñüìåðêè". Ýòî ðåøåíèå áûëî ïîëó÷åíî â ýëëèïòè÷åñêèõ ôóíêöèÿõ. Íàéäåì ñîîòâåòñòâóþùèé åìó àíàëîã â êîíå÷íîìåðíîì ñëó÷àå. Ïîñêîëüêó ìîäåëèðóåìàÿ îñü ñòåðæíÿ ñèììåòðè÷íà îòíîñèòåëüíî îñè OY , ïîëàãà- åì íàëè÷èå ñèììåòðèè è â åå êîíå÷íîìåðíîì àíàëîãå. Ïðè ýòîì ñ÷èòàåì, ÷òî ÷èñëî òåë â ñèñòåìå ÷åòíîå (ò. å. n = 2N) è, êðîìå òîãî, hN+l = hl; θN+l = π − θl (l = 1, N). (30) 98 Çàìêíóòûå ñèñòåìû ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë Òîãäà èç (22), (30) ñëåäóåò, ÷òî Rz = 0, è ñèñòåìà óðàâíåíèé (22), (24), ïîçâîëÿþùàÿ îïðåäåëèòü ôîðìó óïðóãîé îñè, ïðèíèìàåò âèä Ðèñ. 1. Ñèñòåìà ÷åòûðåõ òåë. sin(θk+1−θk)−sin(θk−θk−1) = akRy cos θk, (31) k = 1, N, 2N∑ k=1 hk sin θk = 0. (32) Íàéäåì ðåøåíèå ýòîé ñèñòåìû â ñëó÷à- ÿõ, êîãäà îíà ñîñòîèò èç ÷åòûðåõ è øåñòè òåë. 6. Ñëó÷àé ÷åòûðåõ òåë.  ñëó÷àå ÷åòûðåõ òåë âîçìîæíà ëèøü îäíà êîíôèãóðà- öèÿ ñèñòåìû òåë, ìîäåëèðóþùàÿ óïðóãóþ îñü, òèïà "âîñüìåðêè"(ðèñ. 1). Ñîãëàñíî (30), äëèíû îñåé ñèììåòðèé òâåðäûõ òåë Sk, k = 1, 4, äîëæíû óäîâëå- òâîðÿòü ðàâåíñòâàì: h1 = h3; h2 = h4. Ðåøåíèå èùåì â âèäå θ1 = −θ, θ2 = π 2 , θ3 = π + θ, θ4 = π 2 . (33) Ïîäñòàâëÿÿ (33) â (31), (32), ïîëó÷èì Ry = 2 a1 , sin θ = h2 h1 . (34) Èòàê, ïðè óñëîâèè, ÷òî ñèëà ðåàêöèè è óãîë θ óäîâëåòâîðÿò ñîîòíîøåíèÿì (34), ñèñòåìà (31), (32) äîïóñêàåò ðåøåíèå (33). Òåïåðü íàéäåì óãëû ϕk èç ñèñòåìû óðàâíåíèé (23), â êîòîðîé êîýôôèöèåíòû bk çàâèñÿò îò θk. Ïîäñòàâëÿÿ (33) â âûðàæåíèÿ äëÿ êîýôôèöèåíòîâ bk, ïîëó÷àåì bk = c22 2h [1− sin θ] = b, ò. å. â ñëó÷àå ÷åòûðåõ òåë âñå bk ðàâíû è ñèñòåìà (23) ïðèâîäèòñÿ ê âèäó (29), à ϕk îïðåäåëÿþòñÿ èç (26). 7. Ñëó÷àé øåñòè òåë.  ñëó÷àå øåñòè òåë âîçìîæíî äâà âàðèàíòà ìîäåëèðîâàíèÿ îñè ñòåðæíÿ òèïà "âîñüìåðêè".  ïåðâîì ñëó÷àå îñè O2O3 è O5O6 ïåðåñåêàþòñÿ íå â øàðíèðíîé òî÷êå (ðèñ. 2), à âî âòîðîì (ðèñ. 3) � â øàðíèðå (ïðè ýòîì òî÷êè O2 è O5 ñîâïàäàþò). Íàçîâåì ïîñëåäíèé âàðèàíò ñëó÷àåì øàðíèðíîãî ïåðåñå÷åíèÿ îñåé. Ðàññìîòðèì ñíà÷àëà ïåðâûé âàðèàíò (ðèñ. 2). Ïîëàãàåì, ÷òî äëèíû îñåé ñèììåòðèè òåë è óãëû óäîâëåòâîðÿþò ðàâåíñòâàì O1O2 = O3O4 = h1, O2O3 = h2; (35) θ1 = θ, θ2 = −ψ, θ3 = θ. (36)  (36) óãëû θ, ψ ñòðîãî áîëüøå íóëÿ è ìåíüøå π/2. Îñòàëüíûå óãëû è äëèíû ñ ó÷åòîì (35), (36) íàõîäÿòñÿ èç (30). 99 È.À. Áîëãðàáñêàÿ, À.ß. Ñàâ÷åíêî, Í.Í. Ùåïèí Ïîñëå ïîäñòàíîâêè (35), (36) â (31), (32) ïîëó÷àåì, ÷òî èñêîìîå ðåøåíèå ñóùåñòâóåò, åñëè óãëû θ, ψ óäîâëåòâîðÿþò óðàâíåíèÿì sin 2θ − sin(θ + ψ) 2 sin(θ + ψ) = a cos θ cosψ , (37) 2a sin θ = sinψ, (38) ãäå a = h1/h2. Äîïóñòèì, ÷òî Ðèñ. 2. Ñèñòåìà øåñòè òåë. cosψ = p cos θ. (39) Î÷åâèäíî, ÷òî ââåäåííûé â (39) äîïîëíè- òåëüíûé ïàðàìåòð p áîëüøå íóëÿ, òàê êàê óãëû θ è ψ îñòðûå. Èç (38), (39) ïîëó÷àåì 4a2 sin2 θ+p2 cos2 θ = 1 ⇒ sin2 θ = 1− p2 4a2 − p2 , îòêóäà ñëåäóåò 0 < 1− p2 4a2 − p2 < 1. (40) Ïîäñòàâëÿÿ (38), (39) â (37) è ó÷èòûâàÿ, ÷òî sin θ cos θ 6= 0, ïîëó÷àåì óðàâíåíèå p2 + 2p(2a− 1) + 4a2 = 0. (41) Êîðíè óðàâíåíèÿ (41) äåéñòâèòåëüíû ïðè óñëîâèè a ≤ 1 4 (42) è ïðè ýòîì óðàâíåíèå (41) èìååò äâà ïîëîæèòåëüíûõ äåéñòâèòåëüíûõ êîðíÿ. Èç àíàëèçà íåðàâåíñòâà (40) ñ ó÷åòîì óñëîâèÿ (42) ñëåäóåò, ÷òî 4a2 < 1, p2 > 1. (43) Òðåáîâàíèå ñóùåñòâîâàíèÿ ó óðàâíåíèÿ (41) êîðíÿ p > 1 âûïîëíÿåòñÿ ïðè óñëîâèè 0 < a < √ 2− 1 2 . (44) Òàêèì îáðàçîì, ðåøåíèå (36) ñóùåñòâóåò äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìû øåñòè òåë, åñëè óãëû θ è ψ îïðåäåëÿþòñÿ èç ñîîòíîøåíèé sin θ = √ 1− p2 4a2 − p2 , sinψ = 2a √ 1− p2 4a2 − p2 , ãäå p = −2a+ 1 + √ 1− 4a, à a ∈ (0, ( √ 2− 1)/2). 100 Çàìêíóòûå ñèñòåìû ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë Òåïåðü îïðåäåëèì êðóòêó ϕk − ϕk−1. Äëÿ ðåøåíèÿ (30), (36) ïîëó÷àåì b1 = b4 = b7 = c22 2h [1− cos 2θ]; b2 = b3 = b5 = b6 = c22 2h [1 + cos(θ + ψ)]. Îáîçíà÷èì c = 1 + cos(θ + ψ) 1− cos2θ > 0 (45) è, ïîäñòàâëÿÿ bk ñ ó÷åòîì (45) â ñèñòåìó óðàâíåíèé (23), ïðèâîäèì åå ê ñèñòåìå ëèíåé- íûõ îäíîðîäíûõ óðàâíåíèé D̂ϕ = 0, (46) ãäå D̂ =  −c− 1 c 0 0 0 1 1 −2 1 0 0 0 0 c −c− 1 1 0 0 0 0 1 −c− 1 c 0 0 0 0 1 −2 1 1 0 0 0 c −c− 1  , ϕ =  ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4 ϕ5 ϕ6  . Ââîäÿ â (46) çàìåíó ïåðåìåííûõ uk = 1 2 (ϕk + ϕn−k+1), vk = 1 2 (ϕk − ϕn−k+1) (k = 1, 2, 3; n = 6), (47) ïîëó÷àåì u2 − u1 = 0, u1 − 2u2 − u3 = 0, u2 − u3 = 0; cv2 − (c+ 2)v1 = 0, v1 − 2v2 − v3 = 0, cv2 − (c+ 2)v3 = 0. (48) Îïðåäåëèòåëü ïåðâîé ñèñòåìû (48) ðàâåí íóëþ è åå ðåøåíèå u3 = u2 = u1 = u/2. (49) Çäåñü u − ïðîèçâîëüíàÿ ïîñòîÿííàÿ. Îïðåäåëèòåëü æå âòîðîé ñèñòåìû ðàâåí íóëþ òîëüêî ïðè óñëîâèè c = −2, ÷òî íåâîçìîæíî, òàê êàê èç (45) ñëåäóåò c > 0. Ïîýòîìó v3 = v2 = v1 = 0. (50) Ïîäñòàâëÿÿ (49), (50) â (47), ïîëó÷àåì ϕk = u, k = 1, 6, òîãäà ϕk − ϕk−1 = 0. Òà- êèì îáðàçîì, â èçó÷àåìîì ñëó÷àå ϕk 6= 0, íî ðàçíîñòü ϕk − ϕk−1 ðàâíà íóëþ, ò. å. â ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå êðóòêà îòñóòñòâóåò. Îòìåòèì îäèí èíòåðåñíûé ñëó÷àé, êîãäà c = 1. Ïðè ýòîì ñèñòåìà óðàâíåíèé (46) ïðèâîäèòñÿ ê âèäó (29) è èìååò ðåøåíèå (26). Ïîëàãàÿ â (45) c = 1, ïîëó÷àåì, ÷òî ýòî âîçìîæíî, åñëè cos(θ + ψ) = cos 2θ. Èç àíàëèçà ýòîãî ñîîòíîøåíèÿ ïðè óñëîâèè, ÷òî óãëû θ è ψ áîëüøå íóëÿ è ìåíüøå π/2, ïîëó÷àåì π 6 < θ < π 3 , 0 < ψ < π 2 , 3θ + ψ = π. Òàêèì îáðàçîì, ïðè ðàññìàòðèåìîé êîíôèãóðàöèè òåë âîçìîæåí ñëó÷àé, êîãäà êðóòêà îòëè÷íà îò íóëÿ. 101 È.À. Áîëãðàáñêàÿ, À.ß. Ñàâ÷åíêî, Í.Í. Ùåïèí Çàìå÷àíèå. Åñëè ïîëàãàòü, êàê è â [1], ÷òî ϕ0 = 2π + ϕn, ϕn+1 = ϕ1 − 2π, òî àíàëîãè÷íî ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî êðóòêà áóäåò îòëè÷íà îò íóëÿ ïðè ïðîèçâîëüíîì c > 0. 8. Ñëó÷àé øàðíèðíîãî ïåðåñå÷åíèÿ îñåé. Ïðè òàêîé êîíôèãóðàöèè òåë â òî÷- êå O2, ñîâïàäàþùåé ñ òî÷êîé O5, ðàñïîëîæåí óïðóãèé øàðíèð, ÿâëÿþùèéñÿ îáùèì äëÿ òåë S1, S2, S4, S5. Äëÿ çàïèñè óðàâíåíèé äâèæåíèÿ â âè- Ðèñ. 3. Øàðíèðíîå ïåðåñå÷åíèå. äå (2), (3) ââåäåì äîïîëíèòåëüíî áåçìàññî- âîå òåëî S7, ïîçâîëÿþùåå âûäåëèòü, êàê è â (2), ðåàêöèè Rk. Òîãäà, êàê è â ï.1, áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ñèëà ðåàêöèè ïðåäøåñòâóþ- ùåãî òåëà íà ïîñëåäóþùåå ðàâíà Rk, à äåé- ñòâèå ïîñëåäóþùåãî íà ïðåäøåñòâóþùåå � (−Rk+1). Îáîçíà÷èì äîïîëíèòåëüíûå ðåàêöèè R17,R27,R47,R57 è áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî äåé- ñòâèå òåë S1 è S4 íà S7 îïðåäåëÿþò ñîîò- âåòñòâåííî ðåàêöèè R17 è R47, à äåéñòâèå S2 è S5 íà S7 � ñîîòâåòñòâåííî −R27 è −R57. Ðåàêöèè æå R1, R3, R4, R6 ââîäÿòñÿ êàê è ïðåæäå. Òîãäà, äîáàâëÿÿ ê óðàâíåíèÿì (13) óðàâíåíèÿ ðàâíîâåñèÿ äëÿ òåëà S7, ïîëó÷àåì R17 = R57 = R6 = R1, R27 = R47 = R4 = R3. Òàêèì îáðàçîì, â îòëè÷èå îò ïðåäûäóùåãî ñëó÷àÿ, ìû èìååì äâå îòëè÷íûå îò íóëÿ ñèëû ðåàêöèè, îäíàêî, êàê è â ï. 5, ó÷èòûâàÿ ñèììåòðèþ ìîäåëèðóåìîé îñè ñòåðæíÿ îòíîñèòåëüíî OY , ïîëó÷àåì R1z = R3z = 0. Äîïóñòèì äàëåå, ÷òî äëèíû îñåé ñèììåòðèé òåë ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèÿìè O1O2 = O2O3 = O4O5 = O5O6 = h1, (51) O3O4 = O6O1 = h2. Äëÿ êðèâîé, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 3, ðàçûñêèâàåìîå ðåøåíèå èìååò âèä θ1 = −θ, θ2 = θ, θ3 = −π 2 , (52) θ4 = π − θ, θ5 = π + θ, θ6 = π 2 . Ïðè ïîäñòàíîâêå åãî â (22), (24) ñ ó÷åòîì (51) íàõîäèì âûðàæåíèå äëÿ ñèë ðåàêöèé. Îíè ðàâíû R1y = −R3y = 2 sin θ + 1 a1 . Çäåñü çíà÷åíèå óãëà θ çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèé ìåæäó äëèíàìè h1è h2 (sin θ = h2/(2h1)), è â ñëó÷àå îäèíàêîâûõ òåë (h1 = h2 = h) ïîëó÷àåì θ = π/6. Ïîäñòàâëÿÿ (52) â (23), íàõîäèì bk è äëÿ ýòîãî ñëó÷àÿ. Ïîñëå ñîêðàùåíèÿ íà îáùèé ìíîæèòåëü ýòè êîýôôèöèåíòû ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíûìè b1 = b3 = b4 = b6 = b7 = 1; b2 = b5 = k1, 102 Çàìêíóòûå ñèñòåìû ñâÿçàííûõ òâåðäûõ òåë ãäå k1 = (1 + cos 2θ)/(1− sin θ).  îòëè÷èå îò ïðåäûäóùåãî ñëó÷àÿ, íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî ïðè óñëîâèè îñòðûõ óãëîâ θ è ψ, âåëè÷èíà k1 íå ìîæåò ðàâíÿòüñÿ åäèíèöå è ñèñòåìà (23) íå ïðèâîäèòñÿ ê âèäó (29). Îäíàêî, åå îïðåäåëèòåëü ðàâåí íóëþ, è îíà èìååò ðåøåíèå ϕk = u, k = 1, 6. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ âñåõ ðàññìîòðåííûõ ñëó÷àåâ ðåøåíèå òèïà "âîñüìåðêè"ñóùå- ñòâóåò è ïðè ýòîì óãëû êðó÷åíèÿ íå ðàâíû íóëþ, îäíàêî êðóòêà (ϕk−ϕk−1) ìîæåò áûòü êàê íóëåâîé, òàê è îòëè÷íîé îò íóëÿ. Çàìå÷àíèå. Îòìåòèì, ÷òî äëÿ êîíôèãóðàöèè, èçîáðàæåííîé íà ðèñ.3, ñóùåñòâóåò åùå îäíî ðåøåíèå (äëÿ ýòîãî íà ðèñ. 3 íåîáõîäèìî ïîìåíÿòü ìåñòàìè òî÷êè O3 è O4): θ1 = θ2 = −θ, θ3 = θ6 = π/2, θ4 = θ5 = π + θ. Ïðè ïîäñòàíîâêå åãî â (22), (24) ñ ó÷åòîì (51) íàõîäèì R1y = R3y = 1/a1. Êàê è â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå, çíà÷åíèå óãëà θ çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèé ìåæäó äëèíàìè h1 è h2, è â ñëó÷àå îäèíàêîâûõ òåë θ = π/6. 1. Áîëãðàáñêàÿ È.À., Ùåïèí Í.Í. Êîíå÷íîìåðíàÿ ìîäåëü çàìêíóòîãî óïðóãîãî ñòåðæíÿ // Ìåõàíèêà òâåðäîãî òåëà. � 2005. � Âûï. 35. � Ñ.33�39. 2. Ñàâ÷åíêî À.ß., Áîëãðàáñêàÿ È.À., Êîíîíûõèí Ã.À. Óñòîé÷èâîñòü äâèæåíèÿ ñèñòåì ñâÿçàííûõ òâåð- äûõ òåë. � Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1991. � 168 c. 3. Èëþõèí.À.À. Ïðîñòðàíñòâåííûå çàäà÷è íåëèíåéíîé òåîðèè óïðóãèõ ñòåðæíåé. � Êèåâ.: Íàóê. äóì- êà, 1979. � 216 ñ. 4. Wadati M., Tsuru H. Elastic model of looped DNA // Physiica. � 1986. � 21D. � P. 213�226. 5. Áåíõýì Äæ. Ìåõàíèêà è ðàâíîâåñíûå ñîñòîÿíèÿ ñâåðõñïèðàëèçîâàííîé ÄÍÊ //  êí.: Ìàòåìàòè- ÷åñêèå ìåòîäû äëÿ àíàëèçà ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé ÄÍÊ. � Ì.: Ìèð, 1999. � Ñ. 308�338. 6. Starostin E.L. Three-dimensional shapes of looped DNA// Colloquium EVROMECH 325 (19-22 September, 1994, L`Aquila, Italy). � 1994. � 23 p. 7. Êóãóøåâ Å.È., Ïèðîãîâà Å.Å., Ñòàðîñòèí Å.Ë. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü îáðàçîâàíèÿ òðåõìåðíîé ñòðóêòóðû ÄÍÊ. � 1997. � 24 ñ. � (Ïðåïðèíò / ÐÀÍ Èí-ò ïðîáëåì ìåõàíèêè èì. Ì.Â. Êåëäûøà; � 77). 8. Ñàâ÷åíêî À.ß., Áîëãðàáñêàÿ È.À. Ñèñòåìà òâåðäûõ òåë, îáðàçóþùèõ ïîëóçàìêíóòóþ öåïü // Ìå- õàíèêà òâåðäîãî òåëà. � 1994. � Âûï.26(I). � Ñ.33�39. Èí-ò ïðèêë. ìàòåìàòèêè è ìåõàíèêè ÍÀÍ Óêðàèíû, Äîíåöê bolg@iamm.ac.donetsk.ua Ïîëó÷åíî 10.04.06 103
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-123796
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0321-1975
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:18:19Z
publishDate 2006
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
record_format dspace
spelling Болграбская, И.А.
Савченко, А.Я.
Щепин, Н.Н.
2017-09-09T17:37:07Z
2017-09-09T17:37:07Z
2006
Замкнутые системы связанных твердых тел / И.А. Болграбская, А.Я. Савченко, Н.Н. Щепин // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 36. — С. 94-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
0321-1975
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123796
531.38
Рассмотрена конечномерная модель замкнутого упругого стержня, позволяющая изучать системы с большим прогибом. Применен общий подход записи уравнений движения замкнутой системы п тел, исходя из законов об изменении количества движения и момента количества движения тела Sk. Получено выражение для упругого момента, которое при n → ∞ совпадает с моментом, вводимым в теории упругих стержней. Исследованы положения равновесия изучаемой системы. Подробно изучен случай плоской осевой линии стержня. В явном виде найдены два решения: в одном из них моделируемая ось стержня представляет кольцо, а во втором - восьмерку.
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Механика твердого тела
Замкнутые системы связанных твердых тел
Article
published earlier
spellingShingle Замкнутые системы связанных твердых тел
Болграбская, И.А.
Савченко, А.Я.
Щепин, Н.Н.
title Замкнутые системы связанных твердых тел
title_full Замкнутые системы связанных твердых тел
title_fullStr Замкнутые системы связанных твердых тел
title_full_unstemmed Замкнутые системы связанных твердых тел
title_short Замкнутые системы связанных твердых тел
title_sort замкнутые системы связанных твердых тел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123796
work_keys_str_mv AT bolgrabskaâia zamknutyesistemysvâzannyhtverdyhtel
AT savčenkoaâ zamknutyesistemysvâzannyhtverdyhtel
AT ŝepinnn zamknutyesistemysvâzannyhtverdyhtel