tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

Bene Gyula
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A
10. hét pénteki előadás


Merev testek dinamikája II.

Merev test helyzetének megadása Euler-szögekkel


A szögsebesség vektora felfogható a következő három vektor összegeként: Az $\omega$ szögsebességvektor komponenseit akár az $x_1$, $x_2$, $x_3$, akár az $x$, $y$, $z$ kordinátarendszerben ezen vektorok megfelelő komponenseinek összeadásával lehet kiszámítani:
Szimmetrikus pörgettyű erőmentes mozgása
Mutasson az inerciarendszer $z$ tengelye a megmaradó ${\bf N}$ impulzusmomentum irányába. Ekkor az impulzusmomentum komponensei az $x_1$, $x_2$, $x_3$ kordinátarendszerben
$ \begin{eqnarray} N_1&=& N\sin\vartheta\sin\psi\\ N_2&=& N\sin\vartheta\cos\psi\\ N_3&=& N\cos\vartheta \end{eqnarray} $
Másrészt $N_1={\Theta}_1\omega_1\;,\quad N_2={\Theta}_2\omega_2\;,\quad N_3={\Theta}_3\omega_3\;$, ezért

$ \begin{eqnarray} \frac{N}{{\Theta}_1}\sin\vartheta\sin\psi&=&\phantom{-}\dot{\vartheta}\cos\psi&+&\dot{\varphi}\sin\vartheta\sin\psi&&\\ \frac{N}{{\Theta}_2}\sin\vartheta\cos\psi&=&-\dot{\vartheta}\sin\psi&+&\dot{\varphi}\sin\vartheta\cos\psi&&\\ \frac{N}{{\Theta}_3}\cos\vartheta&=& &&\dot{\varphi}\cos\vartheta&&+\dot{\psi} \end{eqnarray} $
Ha ${\Theta}_1={\Theta}_2$, akkor az első két egyenletből $$\dot{\vartheta}=0$$ és $$\dot{\varphi}=\frac{N}{{\Theta}_1}$$ következik. A pörgettyű $x_3$ szimmetriatengelye tehát $N/{\Theta}_1$ szögsebességgel precesszál a megmaradó impulzusmomentum-vektor körül úgy, hogy az azzal bezárt $\vartheta$ szöge a mozgás során állandó.
Aszimmetrikus pörgettyű szabad forgása, főtengelyek stabilitása
Tfh. mindhárom fő tehetetlenségi nyomaték különböző, mégpedig $${\Theta}_1>{\Theta}_2>{\Theta}_3>0$$
Energiamegmaradás: $$E=\frac{N_1^2}{2{\Theta}_1}+\frac{N_2^2}{2{\Theta}_2}+\frac{N_3^2}{2{\Theta}_3}$$ vagy $$\frac{N_1^2}{2E{\Theta}_1}+\frac{N_2^2}{2E{\Theta}_2}+\frac{N_3^2}{2E{\Theta}_3}=1$$ Ez az $N_1$, $N_2$, $N_3$ változókban ellipszoid egyenlete, melynek fél főtengelyei $\sqrt{2E{\Theta}_1}>\sqrt{2E{\Theta}_2}>\sqrt{2E{\Theta}_3}>0$ hosszúságúak.
Impulzusmomentum-megmaradás: $$N^2=N_1^2+N_2^2+N_3^2$$ vagy $$\frac{N_1^2}{N^2}+\frac{N_2^2}{N^2}+\frac{N_3^2}{N^2}=1$$ Ez $N$ sugarú gömb egyenlete. Mivel mindkét egyenlet egyidejűleg teljesül, az ${\bf N}$ vektor csak az ellipszoid-felület és a gömbfelület metszésvonalán mozoghat. Ez az észrevétel lehetővé teszi az egyes főtengelyek körüli forgás stabilitásának vizsgálatát:


A legkisebb fő tehetetlenségi nyomatékhoz tartozó tengely körüli forgás stabil.



A legnagyobb fő tehetetlenségi nyomatékhoz tartozó tengely körüli forgás is stabil.


A középső fő tehetetlenségi nyomatékhoz tartozó tengely körüli forgás instabil.
Vigyázat! Az ábrákon a megmaradási tételeket kifejező geometriai alakzatok láthatók, nem a ténylegesen forgó test!

A forgás dinamikai egyenlete a főtengelyek által meghatározott koordináta-rendszerben: Euler-egyenletek
Az inerciarendszerbeli időderivált ($d/dt$)és a merev testtel együtt forgó rendszerbeli időderivált ($d'/dt$) kapcsolata (vektorra alkalmazandó): $$\frac{d}{dt}=\frac{d'}{dt}+\vec{\bf \omega}\times$$ Az impulzusmomentum vektorára alkalmazva: $$\frac{d {\bf N}}{dt}=\frac{d' {\bf N}}{dt}+\vec{\bf \omega}\times {\bf N}$$ Inerciarendszerben $$\frac{d {\bf N}}{dt}={\bf M}$$ ahol ${\bf M}$ a testre ható impulzusmomentum. Együttforgó rendszerben tehát $$\frac{d' {\bf N}}{dt}+\vec{\bf \omega}\times {\bf N}={\bf M}$$ Mivel az $x_1$, $x_2$, $x_3$ kordinátarendszerben $$N_1={\Theta}_1\omega_1\;,\quad N_2={\Theta}_2\omega_2\;,\quad N_3={\Theta}_3\omega_3\;,$$ a fenti egyenlet komponensei
$\begin{eqnarray} {\Theta}_1\dot{\omega_1}+\left({\Theta}_3-{\Theta}_2\right)\omega_2\omega_3&=& M_1\\ {\Theta}_2\dot{\omega_2}+\left({\Theta}_1-{\Theta}_3\right)\omega_3\omega_1&=& M_2\\ {\Theta}_3\dot{\omega_3}+\left({\Theta}_2-{\Theta}_1\right)\omega_1\omega_2&=& M_3 \end{eqnarray}$

Euler-egyenletek alkalmazása : szimmetrikus pörgettyű erőmentes mozgása
$M_1=M_2=M_3=0$, ${\Theta}_1={\Theta}_2\ne {\Theta}_3$ esetén:
$\begin{eqnarray} {\Theta}_1\dot{\omega_1}+\left({\Theta}_3-{\Theta}_1\right)\omega_2\omega_3&=& 0\\ {\Theta}_1\dot{\omega_2}+\left({\Theta}_1-{\Theta}_3\right)\omega_3\omega_1&=& 0\\ {\Theta}_3\dot{\omega_3}&=& 0 \end{eqnarray}$
Tehát $\omega_3$ állandó. A másik két egyenlet az $\omega_1$, $\omega_2$ változókban körmozgás egyenlete $$\Omega=\frac{{\Theta}_3-{\Theta}_1}{{\Theta}_1} \omega_3$$ szögsebességgel, azaz $$\omega_1=\omega_0\cos(\Omega t)$$ és $$\omega_2=\omega_0\sin(\Omega t)$$ Mivel $\omega_3$ állandó, $N_3={\Theta}_3\omega_3$ is állandó. Tegyük fel, hogy az impulzusmomentum vektora a $z$ irányba mutat. Ekkor $N_3=N\cos\vartheta$, tehát a mozgás során $\vartheta$ is állandó, így $\dot{\vartheta}=0$. A precesszió szögsebessége (az $x$, $y$, $z$ rendszerben) $$\dot{\varphi}=\frac{\sqrt{\omega_1^2+\omega_2^2}}{\sin\vartheta}=\frac{N\sin\vartheta}{{\Theta}_1\sin\vartheta}= \frac{N}{{\Theta}_1}$$ A fő tehetetlenségi tengelyek $x_1$, $x_2$, $x_3$ koordinátarendszerében mind az $\bf \omega$ szögsebességvektor, mind az $\bf N$ impulzusmomentum-vektor $\Omega$ szögsebességgel forog az $x_3$ szimmetriatengely körül.

Egy pontjában rögzített súlyos szimmetrikus pörgettyű mozgása

$$L=\frac{1}{2}\left({\Theta}_1+ml^2\right)\left(\dot{\vartheta}^2+\dot{\varphi}^2\sin^2\vartheta\right)+\frac{1}{2}{\Theta}_3\left(\dot{\varphi}\cos\vartheta+\dot{\psi}\right)^2-mgl\cos\vartheta$$ Megmaradó mennyiségek: