Úvod
Tuhé těleso - nedeformovatelná soustava hmotných bodů, které mají vůči sobě pevné vzdálenosti.
Tuhé těleso má stupňů volnosti - rotační a translační.
Popis rotace:
Zavedeme 2 ortonormální báze: referenční (pevná v prostoru)
a korotující (pevně spojená s tělesem) .
Natočení tělesa je pak popsáno ortogonální maticí :
::
Matice je závislá na čase, splňuje relace ortogonality.
Vzpomeňte si na názorný příklad doc. Podolského: kolotoč s koníčkem a slepičkou a opodál stojící Hanka.
Zavedení vektoru úhlové rychlosti
Uvažujme libovolný časově závislý vektor ,
,
přičemž .
Pak
* (nahlíženo Hankou)
* (nahlíženo slepičkou)
Přeznačíme index i na l a j na i a dostaneme, že
Úhlová rychlost je antisymetrická (má 3 nezávislé složky a lze s ní asociovat duální pseudovektor).
Bez ohledu na zvolenou bázi platí vztah
Eulerovy úhly
Libovolné otočení kolem bodu (těžiště) lze získat 3 po sobě jdoucími otočeními kolem nějaké osy. Zavádíme tzv. Eulerovy úhly. Vezmeme dvě báze: referenční a korotující . Jejich vzájemná poloha je určena těmito úhly:
***precesní úhel** $\ \phi$ z $<0,2\pi>$ - nula odpovídá ose $\vec x_1$, úhel leží v rovině $\{\vec x_1,\vec x_2\}$, kladná orientace ve směru osy $\vec x_2$; měříme úhel, který svírá osa $\vec x_1$ s přímkou $\vec n$, která vznikne protnutím roviny $\{\vec x_1,\vec x_2 \}$ a roviny
***nutační úhel** $\ \theta$ z $<0,\pi>$ - nula odpovídá ose $\vec x_3$, kladná orientace směrem k rovině $\{\vec x_1,\vec x_2 \}$, měníme úhel mezi osou $\vec x_3$ a
***rotační úhel** $\ \psi$ z $<0,2\pi>$ - nula je v rovině $\{\vec x_1,\vec x_2\}$, kladná orientace směrem k ose $\vec x_3$, měníme úhel mezi přímkou $\vec n$ a osou .
Jedná se tedy o 3 otočení a vzájemná poloha pevné a korotující báze je pak určena součinem matic těchto otočení.
Eulerovy kinematické rovnice
Pomocí Eulerových úhlů můžeme vyjádřit vektor úhlové rychlosti, výsledek se nazývá Eulerovy kinetické rovnice.
Tenzor setrvačnosti
Tenzor setrvačnosti je symetrický tenzor 2. řádu (bilineární funkce nezávisí na pořadí vektorů), lze tedy diagonalizovat. Hlavní osy tenzoru setrvačnosti dostaneme, když budeme v bázi vlastních vektorů.
Přes vektory
Vyjdeme z celkového momentu hybnosti tuhého tělesa
,
kde sčítáme přes všechny hmotné body tuhého tělesa.
Zvolme libovolný vektor a udělejme průmět pomocí skalárního součinu
.
Můžeme udělat cyklickou záměnu a dostaneme
.
Přes složky
Uvažujme těleso s rotační energií
$T_{rot}=\frac{1}{2}\sum_{a} m_a \dot{\vec{r}}a ^2 = \frac{1}{2}\sum{a} m_a \left( \vec{\Omega} \times \vec{r}_a \right)^2
\qquad \left(\star\right)$
Dále užijeme
... platí, protože třeba .
Rozepíšeme složky vektorů a
Potom je
a
.
Tedy dohromady je
ParseError: KaTeX parse error: Undefined control sequence: \[ at position 54: …ight)^2 = \left\̲[̲ (\vec r_a)^2 \…
.Tenzorem setrvačnosti nazvěme člen z
ParseError: KaTeX parse error: Undefined control sequence: \[ at position 26: …sum_a m_a \left\̲[̲ (\vec r_a)^2 \…
.tak abychom kinetickou energii získali jako
$T_{rot}=\frac{1}{2} I_{ij}\Omega_i \Omega_j
$.
...Tak jest pro diskrétní body.
Pro masiv přepíšeme do řeči integrálů intuitivně
ParseError: KaTeX parse error: Undefined control sequence: \[ at position 53: …o(\vec r) \left\̲[̲ (\vec r)^2 \de…
.Eulerovy dynamické rovnice
Vyjdeme z 2. věty impulsové (referenční báze):
::
Pak zvolíme korotující bázi hlavních os tenzoru setrvačnosti
::
a dostaneme Eulerovy dynamické rovnice:
::
::
::
Zde jsme použili vztah pro moment hybnosti v korotující bázi.
Setrvačníky
Tuhé těleso, které má pevný bod, nazýváme setrvačníkem. Pokud má těleso navíc osu souměrnosti rozložení hmotnosti (se kterou ztotožňujeme osu ), platí navíc a setrvačník je symetrický.
Pokud vyšetřujeme pohyb bezmomentového symetrického setrvačníku, můžeme řešit Eulerovy dynamické rovnice s momenty sil rovnými nule a s podmínkou . Dostaneme
Osa souměrnosti setrvačníku se otáčí úhlovou rychlostí kolem konstantního směru momentu hybnosti . Tento kužel pevný v prostoru, jehož osu tvoří vektor momentu hybnosti a povrch osa symetrie setrvačníku, nazýváme notačním kuželem. Při pohybu osy souměrnosti setrvačníku po notačním kuželi hovoříme o precesi. Při změně Eulerova úhlu hovoříme o nutaci.
Na druhou stranu, chceme-li popsat pohyb těžkého symetrického setrvačníku (tj. tuhého tělesa otáčejícího se v tíhovém poli Země), je lepší použít Lagrangeovy rovnice 2. druhu. Lagrangián bude mít tvar ( je tíha tělesa, poloha hmotného středu)
.
Řešení nelze obecně vyjádřit pomocí elementárních funkcí, jen ve tvaru eliptických integrálů. Lze však provést kvalitativní diskusi. Řešení můžeme dobře znázornit, když kolem bodu upevnění setrvačníků opíšeme kulovou plochu a na ní vyznačíme její průsečík s osou souměrnosti. Průsečík se vždy pohybuje po pásu na kulové ploše. Můžeme rozlišit 3 případy v závislosti na :
*a) > 0 - průsečík tvoří vlnky,
*b) = 0 - průsečík tvoří "spojená U" (obrazec mezi vlnkou a smyčkou).
*c) < 0 - průsečík tvoří smyčky,
image:Setrvacnik.gif
Links
Poznámky k přednášce doc. Podolského: Tuhé těleso