Libovolné otočení kolem bodu (těžiště) lze získat 3 po sobě jdoucími otočeními kolem nějaké osy. Zavádíme tzv. Eulerovy úhly. Vezmeme dvě báze: referenční x1,x2,x3 a korotující x1∗,x2∗,x3∗. Jejich vzájemná poloha je určena těmito úhly:
precesní úhelϕ z <0,2π> - nula odpovídá ose x1, úhel leží v rovině {x1,x2}, kladná orientace ve směru osy x2; měříme úhel, který svírá osa x1 s přímkou n, která vznikne protnutím roviny {x1,x2} a roviny {x1∗,x2∗}
nutační úhelθ z <0,π> - nula odpovídá ose x3, kladná orientace směrem k rovině {x1,x2}, měníme úhel mezi osou x3 a x3∗
rotační úhelψ z <0,2π> - nula je v rovině {x1,x2}, kladná orientace směrem k ose x3, měníme úhel mezi přímkou n a osou x1∗.
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.
Ωx=ϕ˙sinθsinψ+θ˙cosψ,
Ωy=ϕ˙sinθcosψ−θ˙sinψ,
Ωz=ϕ˙cosθ+ψ˙.
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 L tuhého tělesa
L=∑ara×pa=∑amara×va,
kde sčítáme přes všechny hmotné body tuhého tělesa.
L=∑amara×(Ω×ra)
Zvolme libovolný vektor ξ a udělejme průmět pomocí skalárního součinu
L⋅ξ=∑amara×(Ω×ra)⋅ξ.
Můžeme udělat cyklickou záměnu a dostaneme
L⋅ξ=∑ama(ξ×ra)⋅(Ω×ra)=I(ξ,Ω).
Přes složky
Uvažujme těleso s rotační energií
Trot=21∑amar˙a2=21∑ama(Ω×ra)2. (⋆)
Dále užijeme
(Ω×ra)2=Ω2(ra)2−(Ω⋅ra)2 ... platí, protože třeba sin2=1−cos2.
Rozepíšeme složky vektorů
Ω=Ωiei a (ra)i=(ra)iei.
Pro masiv přepíšeme (♡) do řeči integrálů intuitivně
Iij=∭drρ(r)[(r)2δij−rirj].
Eulerovy dynamické rovnice
Vyjdeme z 2. věty impulsové (referenční báze):
(dtdL)Hanka=(M)Hanka.
Pak zvolíme korotující bázi hlavních os tenzoru setrvačnosti
(dtdL)kolotoc+Ω×L=M
a dostaneme Eulerovy dynamické rovnice:
I1Ω˙x−(I2−I3)ΩyΩz=Mx,
I2Ω˙y−(I3−I1)ΩzΩx=My,
I3Ω˙z−(I1−I2)ΩxΩy=Mz.
Zde jsme použili vztah pro moment hybnosti Li=IijΩj v korotující bázi.
Setrvačníky
Tuhé těleso, které má pevný bod, nazýváme setrvačníkem. Pokud má těleso navíc osu souměrnosti rozložení hmotnosti (se kterou ztotožňujeme osu e3∗), platí navíc I1=I2 a setrvačník je symetrický.
Pokud vyšetřujeme pohyb bezmomentového symetrického setrvačníku, můžeme řešit Eulerovy dynamické rovnice s momenty sil rovnými nule a s podmínkou I1=I2. Dostaneme
ψ=sinθ0Kt+ψ0
θ=θ0
ϕ=Ω0t+δ
Osa souměrnosti setrvačníku se otáčí úhlovou rychlostí ψ˙=sinθ0K kolem konstantního směru momentu hybnosti L. Tento kužel pevný v prostoru, jehož osu tvoří vektor momentu hybnosti L a povrch osa symetrie setrvačníku, nazýváme notačním kuželem. Při pohybu osy souměrnosti setrvačníku po notačním kuželi hovoříme o precesi. Při změně Eulerova úhlu θ 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 ( G je tíha tělesa, rS poloha hmotného středu)
L=21(I1(Ω12+Ω22)+I3Ω32)+G⋅rS.
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 ψ˙:
a) ψ˙ > 0 - průsečík tvoří vlnky,
b) ψ˙ = 0 - průsečík tvoří "spojená U" (obrazec mezi vlnkou a smyčkou).