Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона

Уравнения движения твердого тела, имеющего неподвижную точку, записаны в специальных осях с использованием параметров Родрига - Гамильтона. Рассмотрена задача построения решения этих уравнений, соответствующего решению Гесса. Поставленная задача сведена к дифференциальному уравнению второго порядка...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
1. Verfasser: Данилюк, Д.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2013
Schriftenreihe:Механика твердого тела
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72638
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:Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона / Д.А. Данилюк // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2013. — Вип 43. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-72638
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-726382025-02-23T19:49:11Z Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона Рухи гiроскопа Гесса в параметрах Родрiга–Гамiльтона The motion of the Hess gyroscope in the Rodrigues-Hamilton parameters Данилюк, Д.А. Уравнения движения твердого тела, имеющего неподвижную точку, записаны в специальных осях с использованием параметров Родрига - Гамильтона. Рассмотрена задача построения решения этих уравнений, соответствующего решению Гесса. Поставленная задача сведена к дифференциальному уравнению второго порядка и в дальнейшем - к соотношениям, связывающим параметры Родрига - Гамильтона. Для случая нулевой постоянной интеграла площадей решение задачи выражено через эллиптические функции времени. Рiвняння руху твердого тiла, що має нерухому точку, записано в спецiальних вiсях з використаннямпараметрiв Родрiга–Гамiльтона. Розглянуто задачу побудови розв’язку цих рiвнянь, який вiдповiдає розв’язку Гесса. Поставлену задачу зведено до диференцiального рiвняння другого степеня i надалi – до спiввiдношень, що зв’язують параметри Родрiга–Гамiльтона. Для випадку нульової постiйної iнтеграла площ розв’язок задачi виражено через елiптичнi функцiї часу. The equations of motion for a rigid body with a fixed point are recorded in terms of the tensor components referred to some special basis using the Rodrigues–Hamilton parameters. The objective is to obtain a solution of these equations that corresponds to the Hess solution. The posed problem is reduced to the second-order differential equation and relations between the Rodrigues–Hamilton parameters. When the constant of the area integral is zero, the solution is expressed by elliptic functions. 2013 Article Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона / Д.А. Данилюк // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2013. — Вип 43. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0321-1975 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72638 531.38 ru Механика твердого тела application/pdf Інститут прикладної математики і механіки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Уравнения движения твердого тела, имеющего неподвижную точку, записаны в специальных осях с использованием параметров Родрига - Гамильтона. Рассмотрена задача построения решения этих уравнений, соответствующего решению Гесса. Поставленная задача сведена к дифференциальному уравнению второго порядка и в дальнейшем - к соотношениям, связывающим параметры Родрига - Гамильтона. Для случая нулевой постоянной интеграла площадей решение задачи выражено через эллиптические функции времени.
format Article
author Данилюк, Д.А.
spellingShingle Данилюк, Д.А.
Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
Механика твердого тела
author_facet Данилюк, Д.А.
author_sort Данилюк, Д.А.
title Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
title_short Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
title_full Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
title_fullStr Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
title_full_unstemmed Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона
title_sort движения гироскопа гесса в параметрах родрига–гамильтона
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
publishDate 2013
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72638
citation_txt Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона / Д.А. Данилюк // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2013. — Вип 43. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series Механика твердого тела
work_keys_str_mv AT danilûkda dviženiâgiroskopagessavparametrahrodrigagamilʹtona
AT danilûkda ruhigiroskopagessavparametrahrodrigagamilʹtona
AT danilûkda themotionofthehessgyroscopeintherodrigueshamiltonparameters
first_indexed 2025-11-24T19:32:26Z
last_indexed 2025-11-24T19:32:26Z
_version_ 1849701429495726080
fulltext ISSN 0321-1975. Механика твердого тела. 2013. Вып. 43 УДК 531.38 c©2013. Д.А. Данилюк ДВИЖЕНИЯ ГИРОСКОПА ГЕССА В ПАРАМЕТРАХ РОДРИГА–ГАМИЛЬТОНА Уравнения движения твердого тела, имеющего неподвижную точку, записаны в специаль- ных осях с использованием параметров Родрига–Гамильтона. Рассмотрена задача построе- ния решения этих уравнений, соответствующего решению Гесса. Поставленная задача све- дена к дифференциальному уравнению второго порядка и в дальнейшем – к соотношениям, cвязывающим параметры Родрига–Гамильтона. Для случая нулевой постоянной интеграла площадей решение задачи выражено через эллиптические функции времени. Ключевые слова: решение Гесса, параметры Родрига–Гамильтона, углы Эйлера. Введение. Задача о колебаниях твердого тела, имеющего неподвижную точку и находящегося в поле силы тяжести, играет важную роль в динамике твердого тела. Значительный вклад в ее решение внесли работы [1, 2], в ко- торых рассматривались нелинейные колебания около устойчивого положения равновесия. В последние годы исследование этих вопросов продолжено с при- менением параметров Родрига–Гамильтона [3]. Настоящая работа опирается на исследования [3, 4] и использует, в дополнение к специальной неподвижной системе координат, специальные подвижные оси [5], успешно примененные в статье [2]. Уравнения движения твердого тела записаны в специальных осях в параметрах Родрига–Гамильтона. Для изучения колебаний в общем случае выбран гироскоп Гесса, движение которого удобно рассматривать в специаль- ной подвижной системе координат. В случае, когда постоянная k интеграла кинетического момента равна нулю, движения, соответствующие решению Гесса, носят колебательный характер [4]. Построено аналитическое решение поставленной задачи через эллиптические квадратуры в виде соотношений, связывающих параметры Родрига–Гамильтона. 1. Постановка задачи. Для описания движения твердого тела, имею- щего неподвижную точку и находящегося в поле силы тяжести, в каче- стве подвижной системы координат, жестко связанной с телом, выбирает- ся специальная система координат, введенная П.В. Харламовым [5]. Обо- значим через x, y, z проекции вектора момента количества движения тела (кинетического момента) на выбранные оси; ωi, νi, ei, i = 1, 2, 3 – проекции на эти оси векторов угловой скорости, единичного вектора вертикали, на- правленного вверх, и единичного вектора e, идущего из неподвижной точ- ки в центр масс тела; a, a1, a2, b1, b2 – компоненты гирационного тензора в специальных осях; Γ – произведение веса тела на расстояние между цент- ром масс и неподвижной точкой. Начало координат берется в неподвиж- ной точке, первая ось проводится через центр масс тела, вторая и третья оси направляются так, чтобы выражение кинетической энергии имело вид 2T = ax2 + a1y 2 + a2z 2 + 2x(b1y + b2z). 39 Д.А. Данилюк В качестве неподвижной системы, следуя [4], выберем декартову систему координат с центром в неподвижной точке таким образом, чтобы проекции ν ′ i вектора ν на эти оси имели значения ν ′ i = −ei, i = 1, 2, 3. Ее положение задается по таблице направляющих косинусов углов между неподвижной и специальной системами координат [6] через углы Эйлера ψ, ϑ, ϕ. Для фазовых переменных ωi, νi в специальной системе координат принимаем следующие выражения [5]: ν1 = cosϑ, ν2 = sinϕ sinϑ, ν3 = cosϕ sin ϑ; ω1 = ax+ b1y + b2z, ω2 = a1y + b1x, ω3 = a2z + b2x. (1) Для введеных по Лурье [6] параметров Родрига–Гамильтона λ0, λ1, λ2, λ3 с помощью соответствующей им таблицы косинусов имеем ν1 = λ20 + λ23 − λ21 − λ22, ν2 = 2(−λ0λ2 + λ1λ3), ν3 = 2(λ0λ1 + λ2λ3). (2) Дифференциальные уравнения движения получим, подставив формулы (1), (2) в динамические уравнения П.В.Харламова [5] ẋ = y(a2z + b2x)− z(a1y + b1x), ẏ = z(ax+ b1y + b2z)− x(a2z + b2x)− 2Γ(−λ0λ2 + λ1λ3), ż = −y(ax+ b1y + b2z) + x(a1y + b1x) + 2Γ(λ0λ1 − λ2λ3) (3) и в кинематические уравнения для параметров Родрига–Гамильтона [6] 2λ̇0 = −λ1(ax+ b1y + b2z)− λ2(a1y + b1x)− λ3(a2z + b2x), 2λ̇1 = λ0(ax+ b1y + b2z) + λ2(a2z + b2x)− λ3(a1y + b1x), 2λ̇2 = λ0(a1y + b1x) + λ3(ax+ b1y + b2z)− λ1(a2z + b2x), 2λ̇3 = λ0(a2z + b2x) + λ1(a1y + b1x)− λ2(ax+ b1y + b2z). (4) Уравнения (3), (4) допускают три первых интеграла: энергии, постоянства кинетического момента и геометрический: ax2 + a1y 2 + a2z 2 + 2(b1y + b2z)x− 2Γ(λ2 0 + λ2 3 − λ2 1 − λ2 2 ) = 2E, x(λ2 0 + λ2 3 − λ2 1 − λ2 2 ) + 2y(−λ0λ2 + λ1λ3) + 2z(λ0λ1 + λ2λ3) = k, λ2 0 + λ2 1 + λ2 2 + λ2 3 = 1. 2. Гироскоп Гесса. Гироскоп Гесса характеризуется следующим рас- пределением масс: a1 = a2 = a∗, b2 = 0. (5) При условиях (5) В. Гессом было найдено инвариантное соотношение для си- стемы (3), (4): x = 0. (6) 40 Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона При b1 = 0 приходим к случаю Лагранжа, поэтому в дальнейшем считаем b1 6= 0. Пусть b1 > 0. Введем безразмерные переменные y = √ Γ b1 y′, z = √ Γ b1 z′, ωi = a∗ √ Γ b1 ω′ i, t = τ√ Γb1 и параметры c = 2b1 a∗ , h = E Γ , k′ = 2k √ b1 Γ . Тогда уравнения (3), (4) примут следующий вид (для сокращения записи штрихи у безразмерных величин опускаем) ẏ = yz − 2(−λ0λ2 + λ1λ3), ż = −y2 + 2(λ0λ1 + λ2λ3), cλ̇0 = − ( c 2 λ1 + λ2 ) y − λ3z, cλ̇1 = ( c 2 λ0 − λ3 ) y + λ2z, cλ̇2 = ( λ0 + c 2 λ3 ) y − λ1z, cλ̇3 = ( λ1 − c 2 ) y + λ0z, y2 + z2 − c(λ2 0 + λ2 3 − λ2 1 − λ2 2 ) = ch, 2y(−λ0λ2 + λ1λ3) + 2z(λ0λ1 + λ2λ3) = k, λ2 0 + λ2 1 + λ2 2 + λ2 3 = 1, (7) а компоненты вектора угловой скорости равны ω1 = c 2 y, ω2 = y, ω3 = z. (8) Выразив величины b1 и a∗ через компоненты тензора инерции и применив неравенства, связывающие моменты инерции, получим, что областью изме- нения параметра c является интервал (0, 2]. Первые два уравнения системы (7), введя полярные координаты y = ρ cosϕ, z = ρ sinϕ, преобразуем в систему двух дифференциальных уравнений [7], где зависимость ρ от ϕ определяется из уравнения dϕ dρ = ρ3 cosϕ− k ρ √ ρ2 [ 1− ( ρ2 c − h )2 ] − k2 . (9) Заменой y = tg ϕ 2 равенство (9) приводится к уравнению Рикатти [7], сводя- щегося к линейному дифференциальному уравнению второго порядка, коэф- фициенты которого есть полиномы от ρ. 3. Случай k=0. При нулевой константе площадей (k = 0) уравнение (9) интегрируется [7]. В этом случае имеем ρ = √ c(h+ cos ϑ), где ϑ = 2 c [ ln ∣∣∣tg (ϕ 2 + π 4 )∣∣∣+ n ] , 41 Д.А. Данилюк n – постоянная интегрирования, а значит, известны и компоненты вектора ω в неподвижной цилиндрической системе координат α, ρ, ϕ, зависящие от λi. Находим величины λ0, λ1, λ2, λ3, входящие в уравнения (7). Так как при k = 0 имеем [6, с. 68] ψ̇ = 2 c sinϑ (ω2 sinϕ+ ω3 cosϕ) = 2 [ y(−λ0λ2 + λ1λ3) + z(λ0λ1 + λ2λ3) ] c(λ2 0 + λ2 1 )(λ2 2 + λ2 3 ) = 0, то положим ψ = π 2 . Тогда получаем соотношения для проекций вектора угло- вой скорости на оси, связанные с телом [6]: ω1 = c 2 ϕ̇, ω2 = c 2 ϑ̇cosϕ, ω3 = − c 2 ϑ̇sinϕ, c2 4 ϑ̇2 = ω2 2+ω 2 3 = (y2+z2). (10) Его проекции на неподвижные оси равны Ω1 = c 2 ϕ̇ cos ϑ, Ω2 = c 2 ϕ̇ sinϑ, Ω3 = c 2 ϑ̇. Отсюда находим c 2 ϕ̇ = ω1, c 2 ϑ̇ = Ω3, ϑ̇2 = c (h+ cos ϑ) , ϕ̇− c 2 ϑ̇ cosϕ = 0. (11) В итоге справедливы соотношения Ω2 1 +Ω2 2 = ω2 1, Ω2 3 = ω2 2 + ω2 3, ω1 − c 2 ω2 = 0, Ω2 3 = c ( h+ Ω1 ω1 ) . Так же при ψ = π 2 получим из таблиц косинусов [6] соотношения, выражаю- щие углы Эйлера ϑ,ϕ через параметры Родрига–Гамильтона: sinϑ = 2 (λ0λ2 + λ1λ3) , cos ϑ = λ2 0 + λ2 3 − λ2 1 − λ2 2 , sinϕ = λ2 1 + λ2 3 − λ2 0 − λ2 2 , cosϕ = 2 (λ0λ3 + λ1λ2) (12) и равенство λ0λ1 − λ2λ3 = 0. (13) Известны следующие уравнения для параметров Родрига–Гамильтона в под- вижной и неподвижной системах координат [6]: cλ̇0 = − (ω2λ1 + ω3λ2 + ω1λ3) , cλ̇1 = ω2λ0 + ω1λ2 − ω3λ3, cλ̇2 = ω3λ0 + ω2λ3 − ω1λ1, cλ̇3 = ω1λ0 + ω3λ1 − ω2λ2; cλ̇0 = − (Ω2λ1 +Ω3λ2 +Ω1λ3) , cλ̇1 = Ω2λ0 +Ω3λ3 − Ω1λ2, cλ̇2 = Ω3λ0 +Ω2λ2 − Ω2λ3, cλ̇3 = Ω1λ0 +Ω1λ1 − Ω3λ1. Отсюда находим геометрический интеграл λ20 + λ21 + λ22 + λ23 = 1. 42 Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона Далее из [6, c. 119] с учетом (11) имеем ϕ̇ = 2 ( λ0λ̇3 − λ3λ̇0 + λ2λ̇1 − λ1λ̇2 ) , ϑ̇ = 2 ( λ0λ̇2 − λ2λ̇0 + λ1λ̇3 − λ3λ̇1 ) и, следовательно, в силу (13) получаем два уравнения ϕ̇ = 2 ( λ20 + λ22 )(λ3 λ0 ). , ϑ̇ = 2 ( λ20 + λ23 )(λ2 λ0 ). , (14) которые, с учетом (12), вместе с уравнением ϕ̇− c 2 ϑ̇ cosϕ = 0 из (11) легко интегрируются: λ2 λ0 − tg { 1 c lnC0 ∣∣∣∣ λ3 λ0 ∣∣∣∣ } = 0, ϑ− ϑ0 = 2 c lnC0 ∣∣∣∣ λ3 λ0 ∣∣∣∣, λ3 λ0 = tg (ϕ 2 + π 4 ) . Продифференцировав tg ϑ 2 = λ2 λ0 , в силу (11) находим эллиптическую ква- дратуру для λ2 λ0 : [( λ2 λ0 ).]2 = c 4 ( 1 + λ2 2 λ2 0 )[ 2 + (h− 1) ( 1 + λ2 2 λ2 0 )] . (15) Для λ20 + λ23 = cos2 ϑ 2 имеем аналогичное уравнение [( λ20 + λ23 ).]2 = c ( λ20 + λ23 ) ( 1− λ20 − λ23 ) [ h− 1 + 2 ( λ20 + λ23 )] . Таким образом, задача свелась к дифференциальному уравнению (15), которое имеет решение, выражаемое в эллиптических функциях времени. Воспользуемся результатами и обозначениями работы [8], тогда в случае h ∈ (−1, 1) получаем λ̃0 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 dnτ, λ̃1 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 κ snτ, λ̃2 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 κ snτ, λ̃3 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 dnτ, σ = c(ε arccos dnτ − ϑ0), κ = √ (h+ 1)/2, ε = sgn(snτ), τ = t− t0. (16) В случае h > 1 получаем λ̃0 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 сnτ, λ̃1 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 snτ, λ̃2 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 snτ, λ̃3 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 сnτ, σ = c(arccos сnτ − ϑ0), κ = √ 2/(h + 1), τ = κ−1(t− t0), ε = ±1. (17) 43 Д.А. Данилюк Пусть h = 1, тогда имеем движение твердого тела в окрестности неустой- чивого положения равновесия: λ̃0 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 ch−1 τ, λ̃1 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 th τ, λ̃2 = √ 2 2 (1− thσ)1/2 th τ, λ̃3 = √ 2 2 (1 + thσ)1/2 ch−1 τ, σ = c(2arctg{eτ} − ϑ0), τ = t− t0, ε = ±1. (18) В формулах κ – модуль эллиптической функции (|κ| < 1), период T не зависит от параметров c ∈ (0, 2] и ϑ0 ∈ [0,∞). В работах [3, 4] используется специальная неподвижная система коор- динат, предназначенная для изучения нормальных колебаний тела в ок- рестности положения равновесия. Параметры Родрига–Гамильтона λ1, λ2, λ3, λ4 такой системы связаны с λ̃i из (16)–(18) следующими соотношениями: λ0 = µ0λ̃0 − µ3λ̃3, λ1 = µ0λ̃1 − µ3λ̃2, λ2 = µ0λ̃2 − µ3λ̃1, λ3 = µ0λ̃3 + µ3λ̃0, (19) где µi [6, с. 110] – параметры конечного поворота системы координат из [8] к данной, при этом e3 = 0, 2µ0µ3 = −e2, µ2 0 − µ2 3 = −e1, µ2 0 + µ2 3 = 1. Итак, получены формулы (16)–(18), выраженные через эллиптические функции времени, которые описывают движение гироскопа Гесса при нуле- вой константе площадей и установлена их связь с формулами работ [3, 4]. 1. Старжинский В.М. Колебания тяжелого твердого тела с закрепленной точкой около нижнего положения равновесия в общем случае // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. – 1973. – Вып. 4. – С. 121–128. 2. Илюхин А.А., Ковалев А.М. Нормальные колебания твердого тела около положения устойчивого равновесия // Механика твердого тела. – 1976. – Вып. 8. – С. 65–71. 3. Ковалев А.М., Данилюк Д.А. Нелинейные колебания тяжелого твердого тела в пара- метрах Родрига–Гамильтона // Механика твердого тела. – 2004. – Вып. 34. – С. 21–26. 4. Ковалев А.М., Данилюк Д.А. Линейные нормальные колебания твердого тела в пара- метрах Родрига–Гамильтона // Механика твердого тела. – 2003. – Вып. 33. – С. 3–9. 5. Харламов П.В. Лекции по динамике твердого тела. – Новосибирск: Изд. НГУ, 1965. – 221 с. 6. Лурье А.И. Аналитическая механика. – М.: Физматгиз, 1961. – 824 с. 7. Ковалев А.М. О движении тела в случае Гесса // Механика твердого тела. – 1969. – Вып. 1. – С. 12–27. 8. Гашененко И.Н. Кинематическое представление по Пуансо движения тела в случае Гесса // Механика твердого тела. – 2010. – Вып. 40. – С. 12–20. 9. Козлов В.В. Уравнение Гамильтона задачи о движении твердого тела с неподвижной точкой в избыточных координатах // Теор. и прикл. механика. – 1982. – Вып. 8. – С. 59–65. 44 Движения гироскопа Гесса в параметрах Родрига–Гамильтона D.A. Daniljuk The motion of the Hess gyroscope in the Rodrigues-Hamilton parameters The equations of motion for a rigid body with a fixed point are recorded in terms of the ten- sor components referred to some special basis using the Rodrigues–Hamilton parameters. The objective is to obtain a solution of these equations that corresponds to the Hess solution. The posed problem is reduced to the second-order differential equation and relations between the Rodrigues–Hamilton parameters. When the constant of the area integral is zero, the solution is expressed by elliptic functions. Keywords: the Hess solution, the Rodrigues–Hamilton parameters, Euler’s angles. Д.А. Данилюк Рухи гiроскопа Гесса в параметрах Родрiга–Гамiльтона Рiвняння руху твердого тiла, що має нерухому точку, записано в спецiальних вiсях з використанням параметрiв Родрiга–Гамiльтона. Розглянуто задачу побудови розв’язку цих рiвнянь, який вiдповiдає розв’язку Гесса. Поставлену задачу зведено до диференцiального рiвняння другого степеня i надалi – до спiввiдношень, що зв’язують параметри Родрiга– Гамiльтона. Для випадку нульової постiйної iнтеграла площ розв’язок задачi виражено через елiптичнi функцiї часу. Ключовi слова: розв’язок Гесса, параметри Родрiга–Гамiльтона, кути Ейлера. Ин-т прикл. математики и механики НАНУ, Донецк daniljuk@bk.ru Получено 01.03.13 45