Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання

A nonlinear system of ordinal differential equations of the 18-th order is derived, the Cauchy problem is solved, and phase portraits are constructed by means of the Maple-software.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автори: Григор'єва, Л.В., Козоріз, В.В., Козоріз, О.В., Ляшко, С.І.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3257
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:Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання / Л.В. Григор'єва, В.В. Козоріз, О.В. Козоріз, С.І. Ляшко // Доп. НАН України. — 2007. — № 11. — С. 41-47. — Бібліогр.: 11 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3257
record_format dspace
spelling Григор'єва, Л.В.
Козоріз, В.В.
Козоріз, О.В.
Ляшко, С.І.
2009-07-06T11:26:22Z
2009-07-06T11:26:22Z
2007
Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання / Л.В. Григор'єва, В.В. Козоріз, О.В. Козоріз, С.І. Ляшко // Доп. НАН України. — 2007. — № 11. — С. 41-47. — Бібліогр.: 11 назв. — укp.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3257
531.37:531.396:537.634:537.612.4:519.6
A nonlinear system of ordinal differential equations of the 18-th order is derived, the Cauchy problem is solved, and phase portraits are constructed by means of the Maple-software.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Інформатика та кібернетика
Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
spellingShingle Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
Григор'єва, Л.В.
Козоріз, В.В.
Козоріз, О.В.
Ляшко, С.І.
Інформатика та кібернетика
title_short Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
title_full Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
title_fullStr Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
title_full_unstemmed Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання
title_sort про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її maple-моделювання
author Григор'єва, Л.В.
Козоріз, В.В.
Козоріз, О.В.
Ляшко, С.І.
author_facet Григор'єва, Л.В.
Козоріз, В.В.
Козоріз, О.В.
Ляшко, С.І.
topic Інформатика та кібернетика
topic_facet Інформатика та кібернетика
publishDate 2007
language Ukrainian
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
description A nonlinear system of ordinal differential equations of the 18-th order is derived, the Cauchy problem is solved, and phase portraits are constructed by means of the Maple-software.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3257
citation_txt Про динамічну задачу двох вільних циліндричних магнітів та її Maple-моделювання / Л.В. Григор'єва, В.В. Козоріз, О.В. Козоріз, С.І. Ляшко // Доп. НАН України. — 2007. — № 11. — С. 41-47. — Бібліогр.: 11 назв. — укp.
work_keys_str_mv AT grigorêvalv prodinamíčnuzadačudvohvílʹnihcilíndričnihmagnítívtaíímaplemodelûvannâ
AT kozorízvv prodinamíčnuzadačudvohvílʹnihcilíndričnihmagnítívtaíímaplemodelûvannâ
AT kozorízov prodinamíčnuzadačudvohvílʹnihcilíndričnihmagnítívtaíímaplemodelûvannâ
AT lâškosí prodinamíčnuzadačudvohvílʹnihcilíndričnihmagnítívtaíímaplemodelûvannâ
first_indexed 2025-11-25T21:05:23Z
last_indexed 2025-11-25T21:05:23Z
_version_ 1850544346306183168
fulltext 1. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. – Москва: Машиностроение, 1980. – 232 с. 2. Щербинский В. Г., Феоктистов В.А., Полевик В.А. и др. Методы дефектоскопии сварных соедине- ний. – Москва: Машиностроение, 1987. – 336 с. 3. Колчин А.В. Датчики средств диагностирования машин. – Москва: Машиностроение, 1984. – 120 с. 4. Никитин А.И., Бабушкина Л.В. Решение задачи о вихревых токах в проводящей сфере, располо- женной в поле накладного преобразователя // Дефектоскопия. – 1988. – № 12. – С. 70–77. 5. Морозов Б.М., Портникова Р. Г., Гончаров Э.Н. и др. Контроль качества продукции машинострое- ния. – Москва: Изд-во стандартов, 1974. – 448 с. 6. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – Москва: Высш. шк., 1978. – 528 с. 7. Электротехника / Под ред. проф. В. С. Пантюшина. – Москва: Высш. шк., 1976. – 560 с. 8. Ступель Ф.А. Электромеханические реле. – Харьков: Харьк. гос. ун-т, 1956. – 355 с. Поступило в редакцию 13.10.2006Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков УДК 531.37:531.396:537.634:537.612.4:519.6 © 2007 Л.В. Григор’єва, В.В. Козорiз, О. В. Козорiз, член-кореспондент НАН України С. I. Ляшко Про динамiчну задачу двох вiльних цилiндричних магнiтiв та її Maple-моделюванння A nonlinear system of ordinal differential equations of the 18-th order is derived, the Cauchy problem is solved, and phase portraits are constructed by means of the Maple-software. Задача двох тiл розглядалася, починаючи з багатьох класичних робiт (див., наприклад, [4, 5]), без урахування протяжностi тiла у полi центральних сил, коли потенцiальна енергiя залежить лише вiд вiдстанi. В подальшому, зокрема для задач космiчної механiки [8, 1], враховувалася протяжнiсть тiла (супутника) введенням його шести степенiв свободи. Цент- ральний характер гравiтацiйної та електричної взаємодiї, а також iншi параметричнi обме- ження (наприклад, мализна розмiрiв супутника вiдносно розмiрiв Землi) зумовлюють де- композицiю динамiчної системи, коли рiвняння, що вiдповiдають за поступальний рух вiль- ного тiла, та рiвняння обертання тiла навколо його точки не залежать однi вiд одних. Задача двох тiл у магнiтному полi ускладнена нецентральнiстю магнiтної взаємодiї. Поступальний рух iстотно впливає на обертальний рух вiльного тiла навколо точки i, навпаки, змiна орiєн- тацiї викликає значнi змiни в поступальному русi. Першi спроби задачi двох магнiтних тiл були здiйсненi в роботах I. Е. Тамма [10], який встановив принципову особливiсть магнiт- них планетарних конфiгурацiй. Ця особливiсть, названа “проблемою 1/R3”, що зводиться до неможливостi стiйкої магнiтної конфiгурацiї з магнiтною взаємодiєю, дослiджувалася в роботах В.Л. Гiнзбурга [2] i iнших авторiв. Пiзнiше, на основi методiв функцiй Ляпунова [6] та теорiї стiйкостi вiдносно частини змiнних, для деяких планетарних геометричних форм магнiтiв була вперше обгрунтована можливiсть стiйких планетарних магнiтних конфiгурацiй [3]. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №11 41 Рис. 1. Два вiльнi цилiндричнi магнiти В загальному випадку задача двох магнiтiв, крiм проблем iнтегрування нелiнiйних сис- тем високого порядку, ускладнена необхiднiстю визначення магнiтних сил залежно вiд вiд- носного розмiщення та орiєнтацiї двох магнiтiв. Нами розглянутий частинний випадок довгих цилiндричних магнiтiв, однорiдно намаг- нiчених вздовж своїх осей. В класичнiй роботi В. Смайта [9] показано, що магнiтне поле на осi довгого цилiндра еквiвалентне полю двох однакових за величиною i рiзних за знаком точкових магнiтних зарядiв на торцях цилiндра (“гантелi”). Цей результат пiдсилено еквiва- лентнiстю поля не тiльки на осi, а й магнiтної взаємодiї взагалi [3]. Тому взаємодiю довгих цилiндричних магнiтiв зручно моделювати взаємодiєю точкових зарядiв, розташованих на магнiтнiй осi кожного магнiту i вiддалених один вiд одного на кiнцеву вiдстань для обох магнiтiв. Це приводить до формули потенцiальної енергiї магнiтної взаємодiї у виглядi U = χ2 ( − 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 − 1 R4 ) , (1) де χ — величина заряду. Якщо Oxyz — нерухомий iнерцiальний тригранник, вiдносно якого розглядається рух двох вiльних магнiтiв, а O1x ′y′z′ i O2x ′′y′′z′′ — тригранники, зв’язанi з вiльними магнiтами так, що їх осi направленi вздовж головних центральних осей iнерцiї вiльних тiл (рис. 1), то в (1) вiдстанi Ri мiж магнiтними зарядами на кiнцях цилiндрiв визначаються з векторних рiвностей, очевидних з рис. 1: −→ Ri = −→ρ2 − −→ρ1 + δi −→ l2 + (−1)i −→ l1 , δi = 1, 1,−1,−1, i = 1, 2, . . . , 4, (2) де −→ρ1 та −→ρ2 — радiуси-вектори центрiв мас цилiндрiв; −→ l1 та −→ l2 — вектори з початком в цен- трах мас цилiндрiв i кiнцем в точках розташування зарядiв. 42 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №11 Нехай орiєнтацiю тригранникiв, зв’язаних з вiльними тiлами, вiдносно нерухомої систе- ми вiдлiку описано кутами Ейлера-Крилова x14, x15, x16 та x24, x25, x26 (x14, x24 — кути крену, x15, x25 — кути тангажу, x16, x26 — кути ширяння вiдповiдно для першого i другого цилiндра). Тодi якщо в (2) врахувати вiдомi матрицi направляючих косинусiв (див., наприклад, [7, (7.12.1)]), записанi вiдносно кутiв Ейлера–Крилова, вважати довжини цилiндрiв 2l1 = 2l2 = = 2l та визначити −→ρ1 i −→ρ2 через декартовi координати, матиме мiсце спiввiдношення для безрозмiрних вiдстаней мiж зарядами ri: ri = Ri l = [((x2 − x1) + δib31 + (−1)ia31) 2 + ((y2 − y1) + δib32 + (−1)ia32) 2 + + ((z2 − z1) + δib33 + (−1)ia33) 2]1/2, i = 1, 2, . . . , 4, (3) де x1, y1, z1 та x2, y2, z2 — безрозмiрнi декартовi координати (утворенi дiленням декартових координат центрiв мас цилiндрiв на половину довжини цилiндра l), a3j та b3j (j = 1, 2, 3) — компоненти матриць направляючих косинусiв: a31 = sin x15, a32 = − sinx14 cos x15, a33 = cos x14 cos x15, b31 = sin x25, b32 = − sinx24 cos x25, b33 = cos x24 cos x25. (4) Тодi з (1) i (3), (4) безрозмiрну потенцiальну енергiю можна записати у виглядi u = U l χ2 ( − 1 r1 + 1 r2 + 1 r3 − 1 r4 ) . (5) Для руху центрiв мас системи (точок O1 i O2) можна записати рiвняння другого закону Ньютона: mi d2xi dt2 = − χ2 l3w2 ∂u ∂xi , mi d2yi dt2 = − χ2 l3w2 ∂u ∂yi , mi d2zi dt2 = − χ2 l3w2 ∂u ∂zi , (6) де w — характерна кутова частота; t — безрозмiрний час; xi, yi, zi — безрозмiрнi декартовi координати центру мас, а mi — маса i-го вiльного тiла. Враховуючи те, що потенцiальна енергiя (5) залежить лише вiд (x2 − x1), (y2 − y1), (z2 − z1), маємо: m1 d2x1 dt2 + m2 d2x2 dt2 = 0, m1 d2y1 dt2 + m2 d2y2 dt2 = 0, m1 d2z1 dt2 + m2 d2z2 dt2 = 0. (7) У випадку розмiщення точки O у центрi iнерцiї системи m1x1 + m2x2 = 0, m1y1 + m2y2 = 0, m1z1 + m2z2 = 0. (8) У подальшому покладаємо маси двох цилiндрiв рiвними i m1 = m2 = m. Якщо X = x2 − x1, Y = y2 − y1, Z = z2 − z1, (9) динамiчними змiнними будуть вiдповiдно безрозмiрнi параметри X, Y , Z та xij , i = 1, 2, j = 4, 5, 6. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №11 43 Тодi можна одержати такi вихiднi рiвняння динамiчної системи двох вiльних магнiтних цилiндрiв: d2X dt2 = −A ∂u ∂X , d2Y dt2 = −A ∂u ∂Y , d2Z dt2 = −A ∂u ∂Z , (10) dni1 dt + kini3ni2 = −Ai ∂u ∂xi4 , dni2 dt − kini3ni1 = −Ai ∂u ∂xi5 , dni3 dt = 0, (11) ni1 = cos xi5 cos xi6 dxi4 dt + sinxi6 dxi5 dt , ni2 = − cos xi5 sin xi6 dxi4 dt + cos xi6 dxi5 dt , (12) ni3 = sin xi5 dxi4 dt + dxi6 dt , i = 1, 2, де A = χ2(Ml3w2)−1 — параметр, що позначає вiдношення характерної магнiтної енергiї до кiнетичної енергiї тiла Ml2w2, а M — зведена маса: M = 1/2m; ki = (Ii3 − Ii1)I −1 i1 — параметри, що визначають спiввiдношення мiж головними центральними моментами iнерцiї вiльних магнiтiв, отриманi з урахуванням їх динамiчної симетрiї (тобто враховано, що Ii1 = = Ii2), Ii1, Ii3 — центральнi моменти iнерцiї тiла вiдносно осей абсцис i аплiкат i-го цилiндра; Ai = χ2I−1 i1 — параметри з (11). Першi три рiвняння (10) є другим законом Ньютона для координат поступального ру- ху X, Y , Z. Рiвняння (11) є динамiчними рiвняннями Ейлера, що зв’язують проекцiї векто- рiв кутового прискорення вiльних магнiтiв на зв’язанi з ними осi та головнi моменти маг- нiтних сил вiдносно тих же осей (див., наприклад, [4, (36.4)]). Останнi шiсть рiвнянь (12) — кiнематичнi рiвняння Ейлера, записанi для кутiв Ейлера–Крилова, — пов’язують складо- вi векторiв безрозмiрної кутової швидкостi ni1, ni2, ni3 i-го тiла за напрямками зв’язаних з ним декартових осей координат та похiднi за часом кутiв Ейлера–Крилова (див., наприк- лад, [7, (7.16.2)]). Отримана система нелiнiйних диференцiйних рiвнянь 18-го порядку з урахуванням (3) i (5) визначає характер динамiчної поведiнки двох вiльних магнiтiв. Вона є громiздкою i складною для аналiзу. Вiдомi аналiтичнi методи не дозволяють отримати загальний роз- в’язок. Застосування чисельних методiв, реалiзованих у комп’ютернiй системi символьної мате- матики Maple10 [11], дає можливiсть одержати розв’язки для проблеми Кошi i встановити деякi новi, на наш погляд, властивостi. Спочатку доцiльно запропонувати Maple-процедури, що дають вираз потенцiальної енер- гiї системи: > get_dist_vector := proc(dist_vector) local i, d: for i from 1 by 1 while i < 5 do if i < 3 then d := 1 else d := −1 end if; dist_vector[i] := ((X(t) + (d ∗ b[3, 1] + (−1)̂ i ∗ a[3, 1]))̂ 2 + (Y(t)+ (d ∗ b[3, 2] + (−1)̂ i ∗ a[3, 2]))̂ 2 + (Z(t) + (d ∗ b[3, 3] + (−1)̂ i ∗ a[3, 3]))̂ 2)̂ (1/2); end do: end proc: > r := Vector[row](4) : get_dist_vector(r) : > get_potential_energy := proc() return − 1/r[1] + 1/r[2] + 1/r[3] − 1/r[4]: end proc: 44 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №11 Якщо обмежитися задачею стiйкостi планетарної конфiгурацiї, доцiльно при встанов- леннi початкових умов задачi Кошi врахувати умову врiвноважування магнiтних сил i вiд- центрової сили [3, (9.3)], що у введених позначеннях i при X(0) = 2a буде мати вигляд Ẏ (0) = √ 2Aa ∂u ∂X ∣ ∣ ∣ ∣ 0 . (13) Процедура, що за вхiдними матрицями направляючих косинусiв, вектором вiдстанi, век- торами кутової швидкостi та початковою умовою для X(0) будує нелiнiйну систему (10)– (12), виглядає так: > get_solve := proc(a_Krylov, b_Krylov, R, N1, N2, X_0) local Omega1, Omega2, Iner1, Iner2, T, u, V, Y_0: global L, a, b, eq, A1, k1, k2: a := get_angle_matrix(a_Krylov, false): b := get_angle_matrix(b_Krylov, false): V := VectorCalculus:−diff(R, t): Omega1 := get_rot_veloc_vector(a_Krylov, false): Omega2 := get_rot_veloc_vector(b_Krylov, false): Iner1 := Vector[row](3): Iner2 := Vector[row](3): T := get_kinetic(V): u := get_potential_energy(): L := T − u: A1 := 2*q2/m/l̂ 2: k1 := q̂ 2/1: k2 := k1: Iner1[1] := m*l̂ 2/12: Iner1[2] := Iner1[1]: Iner1[3] := m*rr̂ 2/2: Iner2[1] := Iner1[1]: Iner2[2] := Iner1[1]: Iner2[3] := Iner1[3]: Digits := 5: Y_0 := evalf(subs(X = X_0, Y(t) = 0, Z(t) = 0, x1(t) = 0, x2(t) = 0, x1s(t) = 0, x2s(t) = 0, (diff(subs(X(t) = X, u), X))*A1*X_0)̂ (1/2)): Digits := 10: eq := Vector[row](nops(R)+nops(a_Krylov)*2+nops(b_Krylov)*2): get_equations_forw(u, Iner1, Iner2, N1, N2, Omega1, Omega2): return dsolve(eq[1], eq[2], eq[3], eq[4], eq[5], eq[6], eq[7], eq[8], eq[9], eq[10], eq[11], eq[12], eq[13], eq[14], eq[15], X(0) = X_0, D(X)(0) = 0, Y(0) = 0, Z(0) = 0, D(Y)(0) = Y_0, D(Z)(0) = 0, a_Krylov[1](0) = 0, a_Krylov[2](0) = 0, a_Krylov[3](0) = 0, b_Krylov[1](0) = 0, b_Krylov[2](0) = 0, b_Krylov[3](0) = 0, N1[1](0) = 0, N1[2](0) = 0, N1[3](0) = 20, N2[1](0) = 0, N2[2](0) = 0, N2[3](0) = 20, X(t), Y(t), Z(t), a_Krylov[1](t), a_Krylov[2](t), a_Krylov[3](t), b_Krylov[1](t), b_Krylov[2](t), b_Krylov[3](t), N1[1](t), N1[2](t), N1[3](t), N2[1](t), N2[2](t), N2[3](t), type = numeric, maxfun = 100000): end proc: ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №11 45 Рис. 2. Змiна радiуса орбiти з часом (а); при малому збуреннi орбiтальної швидкостi (б ) Рис. 3. Графiк розв’язкiв X(t), Y (t) У випадку високих швидкостей власного обертання вiльних магнiтiв i нульових початко- вих збурень кутiв Ейлера–Крилова, проекцiй кутових швидкостей i аплiкати, для вибраних χ = 1, m = 1, l = 10, X(0) = 0,1, а також радiуса цилiндра 0,01 команда > s := get_solve(a_Krylov, b_Krylov, R, N1, N2, 0.1): with(plots): odeplot(s, [t,(X(t)̂ 2+Y(t)̂ 2)̂ (1/2)], t = 0..20, numpoints = 500) дає графiк змiни радiуса орбiти з часом (рис. 2, а). Графiк вказує на мале вiдхилення вiд початкового на досить тривалому промiжку часу, а при нехтуваннi накопиченої чисельної похибки його можна прийняти за пряму. При наданнi малого збурення швидкостi по ординатi (задане зменшенням точностi при обчисленнi Ẏ (0) до трьох знакiв) графiк на рис. 2, б вказує на мале обмежене коливання радiуса. На рис. 3 показано графiк розв’язкiв для X(t), Y (t), на рис. 4 — фазовий портрет кут крену першого цилiндра — радiус орбiти при збуреннi аплiкати. 46 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №11 Рис. 4. Фазовий портрет кут крену першого цилiндра — радiус орбiти при збуреннi аплiкати Можна продемонструвати, що при збiльшеннi вiдстанi мiж цилiндричними магнiтами межi стiйкостi звужуються. В [3, с. 110] методом функцiй Ляпунова визначено умову стiйкостi планетарної систе- ми двох цилiндричних магнiтiв. Методи системи символьної математики Maple, як це де- монструє проведений аналiз, значно розширюють можливостi аналiзу складних нелiнiйних динамiчних систем високого порядку. 1. Белецкий В. В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. – Москва: Наука, 1965. – 416 с. 2. Гинзбург В.Л. Теория мезона и ядерные силы // Пробл. теорет. физики (Памяти И.Е. Тамма). – Москва: Наука, 1972. – С. 192–198. 3. Козорез В. В. Динамические системы магнитно взаимодействующих свободных тел. – Киев: Наук. думка, 1981. – 140 с. 4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Изд. 3-е. – Москва: Наука, 1973. – 208 с. 5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Изд. 5-е. – Москва: Наука, 1967. – 460 с. 6. Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. – Москва; Ленинград: Гостехиздат, 1950. – 472 с. 7. Парс Л.А. Аналитическая динамика. – Москва: Наука, 1971. – 636 с. 8. Румянцев В. В., Озиранер А.С. Устойчивость и стабилизация движения по отношению к части пе- ременных. – Москва: Наука, 1987. – 256 с. 9. Смайт В. Электростатика и электродинамика. – Москва: Изд-во иностр. лит., 1954. – 604 с. 10. Тамм И.Е. Движение мезона в электромагнитных полях // Докл. АН СССР. – 1940. – 29, № 8/9. – С. 551–554. 11. www.maplesoft.com. Надiйшло до редакцiї 07.03.2007Київський нацiональний унiверситет iм. Тараса Шевченка ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №11 47