О некоторых проблемах развития нелинейной механики

Розглянуто деякi питання нелiнiйної механiки, що беруть свiй початок у механiцi Ньютона i Лагранжа. На низцi прикладiв показано необхiднiсть перегляду деяких понять класичної механiки. We consider some nonlinear mechanics problems that originate in the mechanics of Newton and Lagrange. Using some...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Нелінійні коливання
Дата:2007
Автор: Вуйичич, В.А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2007
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177199
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:О некоторых проблемах развития нелинейной механики / В.А. Вуйичич // Нелінійні коливання. — 2007. — Т. 10, № 3. — С. 313-321. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859955095578345472
author Вуйичич, В.А.
author_facet Вуйичич, В.А.
citation_txt О некоторых проблемах развития нелинейной механики / В.А. Вуйичич // Нелінійні коливання. — 2007. — Т. 10, № 3. — С. 313-321. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Нелінійні коливання
description Розглянуто деякi питання нелiнiйної механiки, що беруть свiй початок у механiцi Ньютона i Лагранжа. На низцi прикладiв показано необхiднiсть перегляду деяких понять класичної механiки. We consider some nonlinear mechanics problems that originate in the mechanics of Newton and Lagrange. Using some examples, we show a necessity to reexamine some notions of the classical mechanics.
first_indexed 2025-12-07T16:18:51Z
format Article
fulltext УДК 517 . 9 О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ В. А. Вуйичич Мат. ин-т Серб. академии наук 11001, Београд, Сербия We consider some nonlinear mechanics problems that originate in the mechanics of Newton and Lagrange. Using some examples, we show a necessity to reexamine some notions of the classical mechanics. Розглянуто деякi питання нелiнiйної механiки, що беруть свiй початок у механiцi Ньютона i Лагранжа. На низцi прикладiв показано необхiднiсть перегляду деяких понять класичної меха- нiки. B течение 90 вращений нашей планеты вокруг Солнца многое менялось и изменилось и в недрах Земли, и на Земле. Вулканы, землетрясения, ураганы и разливы рек указывают на внутреннюю и внешнюю нестационарность процессов, протекающих на Земле. Чело- веческий возраст в социальном, экономическом и техническом аспектах несоизмерим с предыдущей историей развития. Изменились и/или утратили силу многие утверждения науки, выраженные линейными либо нелинейными математическими соотношениями. Знания и философия людей оказались сильным фактором как развития народов, так и их самоуничтожения. Человек поднялся в космос и стал живым небесным существом, отослал возвращаемые информационные сигналы во Вселенную и проник в глубины атомной структуры материи. Математико-логические теории подчас превосходят даже границы поэзии! На этом девяностогодовом пути Земли академик Ю. А. Митропольский был не ней- тральным наблюдателем или свидетелем событий, а активным исследователем и строи- телем объективно возможного развития. Более 30 лет назад автор этой статьи счел необходимым вписать имя Ю. А. Митро- польского в свою книгу „Teorija oscilacija” (раздел 25 „О нелинейных колебаниях систем со многими степенями свободы” (см. [1, с. 286 – 293]) и представить студентам естественно- математического факультета Белградского университета монографию Ю. А. Митрополь- ского „Проблемы асимптотической теории нелинейных колебаний”. Спустя 20 лет по приглашению Комитета Югославского общества по теоретической и прикладной меха- нике Ю. А. Митропольский прочитал доклад на тему „Some problems in the development of nonlinear mechanics theory and applications” (см. [2, с. 539 – 560]). В процессе этого торжественного собрания Ю. А. Митропольский сказал несколько незабываемых фраз о сотрудничестве ученых разных стран, и особенно стран славян- ских народов. В частности, сотрудничество украинских и югославских ученых было не только желанием, но и реальностью. В результате реализации некоторых проектов со- трудничества с Институтом механики и Институтом прикладной математики и механики НАН Украины появились работы [3, 4], привлекшие большое внимание научной обще- ственности. В настоящей статье автор выбрал для обсуждения несколько существенных проблем c© В. А. Вуйичич, 2007 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 313 314 В. А. ВУЙИЧИЧ нелинейной механики. Чтобы избежать возможного несогласия в использовании неко- торых понятий механики, автор определился в собственной точке зрения, которая на- звана „Препринципы механики” (см. [5]). Рассматриваемые далее понятия основаны на предначалах существования, инвариантности и причинной определенности. Все другие определения и выводы, которые не согласуются с предначалами, автор игнорирует. Перейдем к фактическому изложению обсуждаемых проблем. Предположим, что су- ществуют тела, которые моделируются материальными точками массы mν ν = 1, . . . , N . Их положение в течение времени t определяется трехкомпонентным радиусом-вектором rν(t) ∈ E3. Это не противоречит первому, второму и третьему определениям Ньютона (см. [5, c. 23 – 26]). Третье определение Ньютона в интерпретации Даламбера утвержда- ет, что произведение массы тела mν и ускорения Iν = mν dvν dt (1) является силой инерции. Согласно этому определению размерность силы dim I = MLT−2. (2) Определение IV Ньютона: Приложенная сила есть действие, производимое над те- лом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движе- ния, не вполне ясно. Фразу „Сила F (от французского слова Force) есть действие A” (от латинского Akti- on) можно понять так, что „сила F это то же самое, что и действие A”. Между тем при аксиоматическом построении механики это теряет смысл, так как в первом случае не сказано, что такое „действие”. В то же время вторая часть определения IV индуцирует мысль о том, что понятие „сила” связано с понятием „действие”. В классической механике эти два понятия существенно отличаются. Согласно По- лаку (см. [6, c. 782 – 783]) действие у Лейбница и Мопертюи — это произведение массы, скорости и времени. У Эйлера упоминается понятие действия силы (см. [6, с. 70, 71]) в форме A = ∫ (∫ F · ds ) dt, размерность которого dim A = ML2T−1. (3) Мы принимаем это понятие действия силы в смысле определения A(F ) = t∫ t0 W (F)dt = t∫ t0  r∫ r0 F · dr  dt, (4) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ 315 где W (F) — работа силы F. Следовательно, действие силы инерции (1) выражается так: A(I) = t∫ t0 W (I)dt = − t∫ t0  r∫ r0 m dv dt · dr  dt = = −m t∫ t0  v∫ v0 v · v  dt = −m t∫ t0 2Ekdt. (5) Таким образом, разделяются понятие силы, физическая размерность которой опреде- ляется формулой (2), и понятие действия силы (5), размерность которого определяется формулой (3). Это не формальное разделение, а такое, которое индуцирует две грани ме- ханики: механику Ньютона с его определением силы и механику Лагранжа, построенную на основе действия (5). Как известно, их задачи не тождественны. В первом случае построение механики осуществляется на основе трех аксиом Нью- тона, во втором — на основе принципа действия Лагранжа или принципа Гамильтона. Поскольку и силы, и работа сил, т. е. энергия, в общем случае являются нелинейными функциями, механика уже по своему математическому основанию является нелинейной наукой. Согласно Ньютону существуют две задачи для математиков: „Рациональная механи- ка есть учение о движениях, производимых какими бы то ни было силами, и о силах, требуемых для производства каких бы то ни было движений, точно изложенное и до- казанное” или „Дело математиков найти такую силу, которая в точности удержива- ла бы заданное тело в движении по заданной орбите с данной скоростью, и, наоборот, найти тот криволинейный путь, на котором заданной силой будет отклонено тело, вышедшее из заданного места с заданной скоростью” (см. [5, с. 2, 27]). Согласно Лагранжу или Гамильтону основная задача математиков состоит в интегри- ровании дифференциальных уравнений движения, т. е. в определении движения на осно- ве заданной энергии. Гамильтон писал: „Задача математической динамики для систе- мы n точек заключается в том, чтобы проинтегрировать систему 6n обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, содержащих 6n переменных pi, q i (наше обозначение) и время t” (см. [6, c. 237]). Покажем на простом примере существующие здесь различия. Пример 1. Предположим, что материальная точка массы m движется с постоянной скоростью v по окружности радиуса R. Необходимо определить силу, которая обеспечи- вает рассматриваемое движение. 1. Согласно Ньютону имеем: а) применение теоремы IV и следствий l – 3 приводит к выражению F = −m v2 R = −m 4π2R2 RT 2 = −m 4π2R3 R2T 2 = −µ m R2 , где µ = 4π2R3 T 2 — постоянная Гаусса; ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 316 В. А. ВУЙИЧИЧ б) согласно аксиомам координат Декарта x, y имеем mẍ = Fx, mÿ = Fy, x2 + y2 = R2, v2 = ẋ2 + ẏ2, далее, ẋ2 + ẏ2 + xẍ + yÿ = v2 + a Fx m + y Fy m = v2 + RF m = 0 и, окончательно, F = −m v2 R ; в) в полярных координатах ρ, θ имеем m(ρ̈− ρθ̇2) = Fρ, (6) m(ρθ̈ + 2ρ̇θ̇) = Fθ. (7) Поскольку ρ̇ = 0 и ρ̈ = 0, получаем Fθ = 0, Fρ = −mR 4π2 T 2 = −m v2 R . 2. Согласно методу независимых обобщенных координат Лагранжа число независи- мых координат равно 1; пусть это будет q = θ. В этом случае имеем одно дифференци- альное уравнение d dt ∂Ek ∂q̇ − ∂Ek ∂q = Qθ, так как Ek = m 2 R2θ̇2 → d dt (mRθ̇) = Qθ = 0. В этом случае сила Fρ „потерялась”, поскольку она не действует в тангенциальном мно- гообразии θ ∈ TM1. 3. Согласно Гамильтону из двух его дифференциальных уравнений ṗθ = −∂H ∂θ̇ , θ̇ = ∂H ∂pθ получается тот же результат, что и с помощью метода Лагранжа. Приведенный пример показывает, что дифференциальные уравнения движения одно- го и того же объекта могут быть как линейными, так и нелинейными в зависимости от выбора системы координат (в евклидовом пространстве E2, либо на многообразии M1 ⊂ E2). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ 317 Таким образом, классическая аналитическая динамика нуждается в некоторой моди- фикации (см. [3, 7, 8]), включая основные выражения, такие как тензор инерции, инте- грал энергии, вариационные принципы механики, число независимых дифференциаль- ных уравнений Лагранжа второго рода, дифференциальные уравнения Гамильтона и кри- терии устойчивости решений этих уравнений. Далее рассмотрим механическую систему, состоящую из n материальных точек, мас- са которых — постоянная или переменная величина mν = const, либо mν = mν(t), и докажем некоторые новые утверждения. Пусть реономные связи, наложенные на дан- ную систему, имеют вид fν(yi(t), τν(t)) = 0, ν = 1, . . . , k < 3N, i = 1, . . . , 3N. (8) Функции τν(t) известны, и всегда можно найти некоторую функцию τ(t) = q0(t) → t = t(q0). (9) Принимая во внимание (9), связи (8) можно представить в виде fν(yj(t)) = 0, ν = 1, . . . , k < 3N, j = 0, 1, . . . , 3N. (10) При выполнении условия ∣∣∣∣∂fnu ∂yj ∣∣∣∣ 6= 0 (11) из системы уравнений ḟν = ∂fν ∂y0 ẏ0 + . . . + ∂fν ∂y1 ẏ1 + . . . + ∂fν ∂yk ẏk + ∂fν ∂yk+1 ẏk+1 + . . . + ∂fν ∂y3N ẏ3N = 3N∑ ν=0 ∂fν ∂yj ẏj (12) можно определить k координат скоростей ẏk как функции от 3N − k + 1 независи- мых координат yk+1, . . . , y3N , y0, которые будем обозначать буквами q0, q1, . . . , qn, n = = 3N − k [3]. Относительно введенных независимых обобщенных координат получаем систему n+ +1 ковариантного дифференциального уравнения aαβ Dq̇β dt = Q∗ α, α, β = 0, 1, . . . , n. (13) Ковариантные координаты тензора инерции aαβ = aβα(m1, . . . ,mN ; q0, q1, . . . , qn) (14) и координаты вектора ускорения Dq̇β dt = q̈β + Γβ αγ q̇αq̇γ , q ∈ Mn+1, (15) в общем случае являются нелинейными функциями. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 318 В. А. ВУЙИЧИЧ Из выражений (6) и (7) видим, что координаты вектора ускорения в уравнениях (13) представлены в линейном виде. Если же координаты ускорения вычислять на основе классических обобщенных координат, представленных в уравнениях Лагранжа второго рода, то из соотношений (15) видно, что дифференциальные уравнения движения меха- нической системы являются нелинейными на многообразии Mn+1 вне зависимости от степеней нелинейности обобщенных сил Q∗ α. To же самое заключение имеет место и в рамках уравнений Гамильтона относительно многообразия Mn. Рассмотрим частный случай. Предположим, что силы Q∗ α = 0 и массы mν матери- альных точек величины постоянные. В этом случае дифференциальные уравнения (13) упрощаются aαβ Dq̇β dt = 0 (16) и с учетом (15) принимают вид Dq̇β dt = q̈β + Γβ αγ q̇αq̇γ = 0. (17) Поскольку aαβ(m1, . . . ,mN ; q1, . . . , qn) и Γβ αγ(q1, . . . , qn) — нелинейные функции обобщен- ных независимых координат q ∈ Mn и Γβ αγ q̇αq̇γ являются квадратичными функциями относительно обобщенных скоростей q̇ ∈ TMn, дифференциальные уравнения (16), (17) являются нелинейными относительно координат q и их производных q̇. В то же время они являются линейными относительно Dq̇β dt или q̈β . Уравнения (17) можно привести к соотношениям q̇β = − ∫ Γβ αγ q̇αdqγ + q̇β(t0), (18) которые в общем случае не интегрируются. В то же время применение тензорного или ковариантного интеграла (см. [9]) позво- ляет доказать, что ∫ aαβDq̇β = ∫ D(aαβ q̇β) = aαβDq̇β −Aα = 0, (19) так как aαβ и Aα — ковариантно постоянные тензоры, для которых D(aαβ q̇β) = 0 и DAα = 0. Выражение (18) в общей механике теряет смысл, в то же время соотношения (19) согласуются с законом инерции Галилея, Ньютона и Герца. Следует заметить, что проблема тензорного интегрирования в механике остается не- достаточно разработанной (см. работу [10] и приведенную в ней библиографию). Особые затруднения вызывает понимание конфигурационного пространства. Монографию [11] можно рассматривать как хорошую подготовку для решения проблемы тензорного ин- тегрирования. Пример 2. Рассмотрим применение ковариантного интеграла к проблеме двух тел, моделируемых материальными точками, массы которых m1 и m2 постоянны, а расстоя- ние между ними определяется формулой ρ = r2 − r1 = ρ(t)ρ0, (20) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ 319 где r1 и r2 — радиусы-векторы, определяющие положение точек. Согласно законам Ньютона ищем силу, которая удерживала бы тела на заданном рас- стоянии ρ(t) между собой и на кеплеровских орбитах. В силу второго и третьего законов Ньютона имеем m1 dv1 dt = F1, m2 dv2 dt = F2, F1 = F2 = Fρ0 при заданном условии (20). При этом v = dr dt = ṙ, ρ0 = ρ ρ . Силу Fρ = F · ρ0 определяем так. Из того, что ṙ2 − ṙ1− = ρ̇ = v2 − v1 = vor, r̈2 − r̈1− = ρ̈ = v̇2 − v̇1, F2 m2 + F1 m1 = ρ̈, следует выражение для искомой силы F1 = −F2 = m1m2 m1 + m2 ρ̈ · ρ0 = m1m2 m1 + m2 Dρ̇ dt , так как ρ̈ = Dρ dt ρ0 + Dθ̇ dt gθ, ρ0 ⊥ gθ, где Dρ dt = ρ̈− ρθ̇2. (21) Под названием „проблема двух тел” обычно понимают исследование кеплеровских движений планеты массы m вокруг Солнца массы M�. При этом применяются известные соотношения из законов Кеплера: ρ = p 1 + e cos θ , ρ2θ̇ = C = 4π2a2b2 T 2 , a3 T 2 = K = const. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 320 В. А. ВУЙИЧИЧ Принимая во внимание, что θ̇ρ−2 = Cρ−2, и используя (21), получаем выражение „ньютоновой силы гравитации” F = f M�m ρ2 , (22) где f = 4π2a3 (M� + m)T 2 = µ M� + m . (23) Далее исследуем движение под действием известной силы (22). В этом случае диффе- ренциальные уравнения движения имеют вид M�r̈M = f M�m ρ2 , (24) mr̈p = −f M�m ρ2 . (25) Принимая во внимание (23), из выражений (24) и (25) находим ρ̈ = −f M� + m ρ2 ρ0 = − µ r2 ρ0, или Dρ̇ dt = − µ ρ2 , ρ2 Dθ̇ dt = 0. Далее имеем ρ̇Dρ̇ = −µ dρ ρ2 , ρ2θ̇Dθ̇ = 0 или 1 2 Dρ̇2 = µdρ−1, 1 2 D(ρ2θ̇2) = 0. Применяя теперь ковариантное интегрирование, получаем∫̂ D(ρ̇2 + ρ2θ̇2) = −2µ ∫ dρ ρ2 , ∫̂ D(ρ2θ̇) = 0. Таким образом, мы получили два известных интеграла (см. [11, с. 421]) ρ̇2 + ρ2θ̇2 − 2 µ ρ = A1, ρ2θ̇ = A2, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3 О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ 321 где A1 = h, A2 = C — ковариантные постоянные. Из изложенного следует необходимость модификации аналитической механики как стационарных, так и нестационарных систем. Некоторые результаты в этом направле- нии изложены в ряде работ (см. [7, 10, 12 – 14]). Отсюда следует, что мнение о завершен- ности построения теории движения твердого тела в XVIII столетии является далеким от действительности. По нашему мнению Ю. А. Митропольский понял глубже, чем многие другие, взаим- ную связь прикладной математики, законов природы и человеческих потребностей с це- лью построения процессов устойчивого развития. Поэтому в завершение следует приве- сти одну фразу из сербско-славянской поэзии и философии: „Благо томе ко довиек живи, имао се рашта и родити” (Хорошо тому, кто на свете живет и имел для чего родиться). 1. Vujičić V. A. Teorija oscilacija. — Beograd: Nauchna kniga, 1976. — 465 p. 2. Mitropolskii Yu. A. Some problems in the development of nonlinear mechanics theory and applications // Facta Univ. Ser. Mech., Automat. Control and Robotics. — 1995. — 1, № 5. — P. 539 – 556. 3. Вуйичич В. А., Мартынюк А. А. Некоторые задачи механики неавтономных систем. — Београд: Мат. ин-т Серб. академии наук, Киев: Ин-т механики НАН Украины, 1991. — 109 с. 4. Vujičić V. A., Kovalev A. M. Contrallability and decomposition of the mechanical systems // J. Appl. Math. and Mech. — 2000. — 64, № 1. — P. 25 – 34. 5. Ньютон И. Математические начала натуральной философии (Перевод с латинского и комментарии А. Н. Крылова). — М.: Наука, 1989. — 688 c. 6. Вариационные принципы механики / Под ред. Л. С. Полака. — М.: Наука, 1959. — 932 с. 7. Vujičić V. A. Preprinciples of mechanics. — Beograd: Math. Inst. SANU, 1999. — 225 p. 8. Кильчевский Н. А. Курс теоретической механики. — М.: Наука, 1977. — Т. 1. — 479 с. 9. Vujičić V. A. The covariant integration on manifolds // Tensor. — 1986. — 43, № 3. — P. 418 – 432. 10. Drašković Z. On the invariance in mechanics. — Beograd: Mat. Inst. SANU, 2005. — 95 p. 11. Дубровин Б. А., Новиков С. П., Фоменко А. Т. Современная геометрия. — М.: Наука, 1979. — 759 с. 12. Vujičić V. A. On a generalization of Newton’s law of gravitation // Int. Appl. Mech. — 2000. — 40, № 3. 13. Mušicki Dj. Extended Lagrangian formalism and main general principles of mechanics // Eur. J. Mech. A. Solids. — 2005. — 24. — P. 227 – 242. 14. Vujičić V. A. On a generalization of Kepler’s third law // Astron. and Astrophys. Trans. — 2005. — 24, № 6. — P. 489 – 495. Получено 26.09.2006 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2007, т . 10, N◦ 3
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-177199
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-3076
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:18:51Z
publishDate 2007
publisher Інститут математики НАН України
record_format dspace
spelling Вуйичич, В.А.
2021-02-11T16:50:50Z
2021-02-11T16:50:50Z
2007
О некоторых проблемах развития нелинейной механики / В.А. Вуйичич // Нелінійні коливання. — 2007. — Т. 10, № 3. — С. 313-321. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177199
517.9
Розглянуто деякi питання нелiнiйної механiки, що беруть свiй початок у механiцi Ньютона i Лагранжа. На низцi прикладiв показано необхiднiсть перегляду деяких понять класичної механiки.
We consider some nonlinear mechanics problems that originate in the mechanics of Newton and Lagrange. Using some examples, we show a necessity to reexamine some notions of the classical mechanics.
ru
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
О некоторых проблемах развития нелинейной механики
Про деякі проблеми розвитку нелінійної механіки
On some problems in the development of nonlinear mechanics
Article
published earlier
spellingShingle О некоторых проблемах развития нелинейной механики
Вуйичич, В.А.
title О некоторых проблемах развития нелинейной механики
title_alt Про деякі проблеми розвитку нелінійної механіки
On some problems in the development of nonlinear mechanics
title_full О некоторых проблемах развития нелинейной механики
title_fullStr О некоторых проблемах развития нелинейной механики
title_full_unstemmed О некоторых проблемах развития нелинейной механики
title_short О некоторых проблемах развития нелинейной механики
title_sort о некоторых проблемах развития нелинейной механики
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177199
work_keys_str_mv AT vuiičičva onekotoryhproblemahrazvitiânelineinoimehaniki
AT vuiičičva prodeâkíproblemirozvitkunelíníinoímehaníki
AT vuiičičva onsomeproblemsinthedevelopmentofnonlinearmechanics