Как найти угловую скорость движения тела

Рассмотрим понятия угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела в теории и на примерах решения задач.

Угловая скорость

Угловой скоростью называют скорость вращения тела, определяющуюся приращением угла поворота тела за некоторый промежуток (единицу) времени.

Обозначение угловой скорости: ω (омега).

Рассмотрим некоторое твердое тело, вращающееся относительно неподвижной оси.

С этим телом свяжем воображаемую плоскость П, которая совершает вращение вместе с заданным телом.
Угловая скорость вращающегося тела
Вращательное движение определяется двугранным углом φ между двумя плоскостями, проходящими через ось вращения. Изменение этого угла с течением времени есть закон вращательного движения:

Положительным считается угол, откладываемый против хода часовой стрелки, если смотреть навстречу выбранному направлению оси вращения Oz. Угол измеряется в радианах.

Быстрота изменения угла φ (перемещения плоскости П из положения П1 в положение П2) – это и есть угловая скорость:

Приняв вектор k как единичный орт положительного направления оси, получим:

Вектор угловой скорости – скользящий вектор: он может быть приложен к любой точке оси вращения и всегда направлен вдоль оси, при положительном значении угловой скорости направления ω и k совпадают, при отрицательном – противоположны.

Формулы угловой скорости

Формула для расчета угловой скорости в зависимости от заданных параметров вращения может иметь вид:

  1. если известно количество оборотов n за единицу времени t:
    Формула угловой скорости по заданным оборотам
  2. если задан угол поворота φ за единицу времени:
    Формула угловой скорости от угла поворота
  3. если известна окружная скорость точки тела v и расстояние от оси вращения до этой точки r:

Размерности угловой скорости:

  • Количество оборотов за единицу времени [об/мин], [c-1].
  • Угол поворота за единицу времени [рад/с].

Определение угловой скорости

Пример: Диск вращается относительно своего центра.
Известна скорость v некоторой точки A, расположенной на расстоянии r от центра вращения диска.
Угловая скорость вращения диска
Определить величину и направление угловой скорости диска ω, если v = 5 м/с, r = 70 см.

Таким образом, угловая скорость диска составляет 7,14 оборотов в секунду. Направление угловой скорости можно определить по направлению скоростей её точек.

Вектор скорости точки A стремится повернуть диск относительно центра вращения против хода часовой стрелки, следовательно, направление угловой скорости вращения диска имеет такое же направление.

Другие примеры решения задач >

Угловое ускорение

Угловое ускорение характеризует величину изменения угловой скорости при вращении твердого тела:


Обозначение: ε (Эпсилон)

Единицы измерения углового ускорения: [рад/с2], [с-2]

Вектор углового ускорения так же направлен по оси вращения. При ускоренном вращении их направления совпадают, при замедленном — противоположны.

Другими словами, при положительном ускорении угловая скорость нарастает (вращение ускоряется), а при отрицательном — уменьшается (вращение замедляется).

Для некоторых частных случаев вращательного движения твердого тела могут быть использованы формулы:

Расчет углового ускорения

Пример: По заданному значению касательной составляющей полного ускорения aτ точки B, расположенной на расстоянии r от центра вращения колеса.
Пример расчета углового ускорения колеса
Требуется определить величину и направление углового ускорения колеса ε, если aτ = 10 м/с2, r = 50 см.

Угловое ускорение колеса в заданный момент времени составляет 20 оборотов за секунду в квадрате. Направление углового ускорения определяется по направлению тангенциального ускорения точки.

Здесь, угловое ускорение направлено противоположно направлению угловой скорости вращения колеса. Это означает, что вращение колеса замедляется.

В технике угловая скорость часто задается в оборотах в минуту n [об/мин]. Один оборот – это 2π радиан:

Например, тело совершающее 1,5 оборота за одну секунду имеет угловую скорость

ω = 1,5 с-1 = 9,42 рад/с.

Смотрите также:

  • Примеры расчета угловой скорости и ускорения
  • Скорости и ускорения точек вращающегося тела
Источник

Содержание:

  • Определение и формула угловой скорости
  • Равномерное вращение
  • Формула, связывающая линейную и угловую скорости
  • Единицы измерения угловой скорости
  • Примеры решения задач

Определение и формула угловой скорости

Определение

Круговым движением точки вокруг некоторой оси называют движение, при котором траекторией точки является окружность
с центром, который лежит на оси вращения, при этом плоскость окружности перпендикулярна этой оси.

Вращением тела вокруг оси называют движение, при котором все точки тела совершают круговые движения около этой оси.

Перемещение при вращении характеризуют при помощи угла поворота
$(varphi)$ . Часто используют вектор элементарного поворота
$bar{dvarphi}$ , который равен по величине элементарному углу поворота тела
$(d varphi)$ за маленький отрезок времени dt и направлен по мгновенной оси вращения в сторону,
откуда этот поворот виден реализующимся против часовой стрелки. Надо отметить, что только элементарные угловые перемещения являются векторами.
Углы вращения на конечные величины векторами не являются.

Определение

Угловой скоростью называют скорость изменения угла поворота и обозначают ее обычно буквой
$omega$ . Математически определение угловой скорости записывают так:

$$bar{omega}=frac{d bar{varphi}}{d t}=dot{bar{varphi}}(1)$$

Угловая скорость — векторная величина (это аксиальный вектор). Она имеет направление вдоль мгновенной оси вращения совпадающее
с направлением поступательного правого винта, если его вращать в сторону вращения тела (рис.1).

Вектор угловой скорости может претерпевать изменения как за счет изменения скорости вращения тела вокруг оси (изменение модуля угловой скорости),
так и за счет поворота оси вращения в пространстве ($bar{omega}$ при этом изменяет направление).

Равномерное вращение

Если тело за равные промежутки времени поворачивается на один и тот же угол,
то такое вращение называют равномерным. При этом модуль угловой скорости находят как:

$$omega=frac{varphi}{t}(2)$$

где $(varphi)$ – угол поворота, t – время, за которое этот поворот совершён.

Равномерное вращение часто характеризуют при помощи периода обращения (T), который является временем, за которое тело производит один оборот
($Delta varphi=2 pi$). Угловая скорость связана с периодом обращения как:

$$omega=frac{2 pi}{T}(3)$$

С числом оборотов в единицу времени ($nu) угловая скорость связана формулой:

$$omega=2 pi nu(4)$$

Понятия периода обращения и числа оборотов в единицу времени иногда используют и для описания неравномерного вращения,
но понимают при этом под мгновенным значением T, время за которое тело делало бы один оборот, если бы оно вращалось равномерно
с данной мгновенной величиной скорости.

Формула, связывающая линейную и угловую скорости

Линейная скорость $bar{v}$ точки А (рис.1), которая расположена
на расстоянии R от оси вращения связана с вектором угловой скорости следующим векторным произведением:

$$bar{v}=[bar{omega} bar{R}](5)$$

где $bar{R}$ – перпендикулярная к оси вращения компонента радиус-вектора точки
$A (bar{r})$ (рис.1). Вектор
$bar{r}$ проводят от точки, находящейся на оси вращения к рассматриваемой точке.

Единицы измерения угловой скорости

Основной единицей измерения угловой скорости в системе СИ является: [$omega$]=рад/с

В СГС: [$omega$]=рад/с

Примеры решения задач

Пример

Задание. Движение тела с неподвижной осью задано уравнением
$varphi=2 t-4 t^{3}$,
$(varphi)$ в рад, t в сек.
Начало вращения при t=0 c. Положительным считают углы указанные направлением стрелки (рис.2). В каком направлении (
относительно часовой стрелки поворачивается тело) в момент времени t=0,5 c.

Решение. Для нахождения модуля угловой скорости применим формулу:

$$omega=frac{d varphi}{d t}(1.1)$$

Используем заданную в условии задачи функцию
$varphi(t)$, возьмем производную от нее по времени, получим функцию
$omega(t)$:

$$omega(t)=2-8 t^{2}(1.2)$$

Вычислим, чему будет равна угловая скорость в заданный момент времени (при t=0,5 c):

$$omega(t)=2-8(0,5)^{2}=0left(frac{r a d}{c}right)$$

Ответ. В заданный момент времени тело имеет угловую скорость равную нулю, следовательно, она останавливается.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Пример

Задание. Скорости вращения тела заданы системой уравнений:

$$left{begin{array}{c}bar{omega}_{1}=t^{2 bar{i}} \ bar{omega}_{2}=2 t^{2} bar{j}end{array}right.$$

где $bar{i}$ и
$bar{j}$ – единичные ортогональные векторы. На какой угол $(varphi)$ поворачивается тело за время равное 3 с?

Решение. Определим, какова функция, которая связывает модуль скорости вращения тела и время (t)
($omega(t)$). Так как вектора
$bar{i}$ и
$bar{j}$ перпендикулярны друг другу, значит:

$$omega=sqrt{omega_{1}^{2}+omega_{2}^{2}}=sqrt{left(t^{2}right)^{2}+left(2 t^{2}right)^{2}}=t^{2} sqrt{5}(2.2)$$

Модуль угловой скорости связан с углом поворота как:

$$omega=frac{d varphi}{d t}(2.3)$$

Следовательно, угол поворота найдем как:

$$varphi=int_{t_{1}}^{t_{2}} omega d t=int_{0}^{3} t^{2} sqrt{5} d t=left.sqrt{5} frac{t^{3}}{3}right|_{0} ^{3} approx 20(mathrm{rad})$$

Ответ. $varphi = 20$ рад.

Читать дальше: Формула удельного веса.

Источник

I. Механика

Тестирование онлайн

Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным, оно является равноускоренным.

Угловая скорость

Выберем на окружности точку 1. Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2. При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.

Период и частота

Период вращения T — это время, за которое тело совершает один оборот.

Частота вращение — это количество оборотов за одну секунду.

Частота и период взаимосвязаны соотношением

Связь с угловой скоростью

Линейная скорость

Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.

Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено — это есть период T. Путь, который преодолевает точка — это есть длина окружности.

Центростремительное ускорение

При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.


Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения

Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.

Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.

Вращение Земли

Связь со вторым законом Ньютона

Как вывести формулу центростремительного ускорения

Движение по циклоиде*

Источник

Время на прочтение
8 мин

Количество просмотров 26K

Содержание

  1. Что такое тензор и для чего он нужен?
  2. Векторные и тензорные операции. Ранги тензоров
  3. Криволинейные координаты
  4. Динамика точки в тензорном изложении
  5. Действия над тензорами и некоторые другие теоретические вопросы
  6. Кинематика свободного твердого тела. Природа угловой скорости
  7. Конечный поворот твердого тела. Свойства тензора поворота и способ его вычисления
  8. О свертках тензора Леви-Чивиты
  9. Вывод тензора угловой скорости через параметры конечного поворота. Применяем голову и Maxima
  10. Получаем вектор угловой скорости. Работаем над недочетами
  11. Ускорение точки тела при свободном движении. Угловое ускорение твердого тела
  12. Параметры Родрига-Гамильтона в кинематике твердого тела
  13. СКА Maxima в задачах преобразования тензорных выражений. Угловые скорость и ускорения в параметрах Родрига-Гамильтона
  14. Нестандартное введение в динамику твердого тела
  15. Движение несвободного твердого тела
  16. Свойства тензора инерции твердого тела
  17. Зарисовка о гайке Джанибекова
  18. Математическое моделирование эффекта Джанибекова

Введение

Что такое угловая скорость? Скалярная или векторная величина? На самом деле это не праздный вопрос.

Читая лекции по теоретической механике в университете, я, следуя традиционной методике изложения курса кинематики, вводил понятие угловой скорости в теме «Скорость точки тела при вращательном движении». И там угловая скорость впервые появляется как скалярная величина, со следующим определением.

Угловая скорость твердого тела — это первая производная от угла поворота тела по времени
omega = frac{d varphi}{dt}

А вот потом, при рассмотрении каноничной формулы Эйлера для скорости точки тела при вращении

vec{v}_M = vec{omega} times vec{r}

обычно дается следующее определение

Угловая скорость тела — это псевдовектор, направленный вдоль оси вращения тела в ту сторону, откуда вращение выглядит происходящим против часовой стрелки

Ещё одно частное определение, которое, во-первых, утверждает неподвижность оси вращения, во-вторых навязывает рассмотрение лишь правой системы координат. И наконец термин «псевдовектор» обычно объясняется студентам так: «Посмотрите, ведь мы показали, что омега — скалярная величина. А вектор мы вводим для того, чтобы выписать формулу Эйлера».

При рассмотрении сферического движения оказывается потом, что ось вращения меняет направление, угловое ускорение направлено по касательной к годографу угловой скорости и так далее. Неясности и вводные допущения множатся.

Учитывая уровень подготовки школьников, а так же вопиющую глупость, допускаемую в программах подготовки бакалавров, когда теормех начинается с первого (вдумайтесь!) семестра, такие постепенные вводные, на палках, веревках и желудях наверное оправданы.

Но мы с вами заглянем, что называется, «под капот» проблемы и, вооружившись аппаратом тензорного исчисления, выясним, что угловая скорость — это псевдовектор, порождаемый антисимметричным тензором второго ранга.

Думаю для затравки вполне достаточно, а поэтому — начнем!

1. Свободное движение твердого тела. Тензор поворота

Итак, как известно из традиционного вузовского курса теормеха

Если движение, совершаемо телом не ограничено связями, то такое его движение называют свободным

Это — самый общий случай движения тела. Следующий рисунок иллюстрирует тот факт, что свободное движение тела можно представить как сумму двух движений: поступательного вместе с полюсом O_1 и сферического вокруг полюса.

Рис. 1. Обычная иллюстрация из курса теоретической механики: определение положения свободного твердого тела в пространстве.

Напомню, что речь идет об абсолютно твердом теле, то есть теле, расстояния между точками которого не изменяется с течением времени. Ещё можно сказать, что твердое тело представляет собой неизменяемую механическую систему.

Как видно из рисунка 1, обычной практикой является рассмотрение двух систем координат — одна O , x_0 , y_0 , z_0 считается неподвижной и называется базовой, другая O , x_1 , y_1 , z_1 жестко связанна с телом и поворачивается относительно базовой вместе с ним. Такую систему координат называют связанной.

Сначала я тоже хотел ограничиться декартовыми координатами. Но тогда бы мои читатели задали бы мне логичный вопрос — «а зачем тогда тут тензоры?». Поэтому, потратив четыре для в мучительных раздумьях и «нагуляв» окончательное решение пару часов назад, я решил замахнуться на «Вильяма, нашего, Шекспира» и изложить дальнейшие рассуждения в криволинейных координатах.

Рис. 2. Ориентация твердого тела в локальном базисе.

Пусть положение полюса Q_1 задается вектором

q^{,i} = q^{,i}(t)

Причем под этим вектором не следует понимать радиус-вектор, так как в криволинейных координатах такое понятие бессмысленно.

В точке O1 задан локальный репер базовой системы координат, образованный тройкой векторов (vec{s}_1, , vec{s}_2, , vec{s}_3). С движущимся телом связан подвижный репер (vec{e}_1, , vec{e}_2, , vec{e}_3). Поворот связанного репера относительно базового можно задать линейным оператором. Получим этот оператор и исследуем его свойства

Рассмотрим некоторую точку M, принадлежащую телу. К ней из полюса можно провести вектор vec{rho} неподвижный относительно связанного репера. Его можно разложить по векторам этого репера

vec{rho} = rho^{,i} vec{e}_i quad (2)

и по векторам базового репера

vec{rho}^{,'} = rho^{,'i} vec{e}_i quad (3)

Каждый вектор связанного репера можно разложить через векторы базового репера

vec{e}_i = beta_{i}^{,,j} vec{s}_j

Подставляем (4) в (2) и сравниваем с (3)

rho^{,'i} vec{s}_i = rho^{i} beta_{i}^{,,j} vec{s}_j quad (5)

Из (5) понятно, что компоненты вектора vec{rho} в базовой системе координат, пересчитываются через его компоненты в связанной системе путем применения линейного оператора

rho^{,'i} = rho^{i} beta_{i}^{,,j} quad (6)

или в безиндексной форме

rho^{,'} = mathbf{B}(t) cdot rho^{i} quad (6)

где столбцы матрицы

mathbf{B} = begin{bmatrix} beta_1^{,,1} && beta_2^{,,1} && beta_3^{,,1} \ beta_1^{,,2} && beta_2^{,,2} && beta_3^{,,2} \ beta_1^{,,3} && beta_2^{,,3} && beta_3^{,,3} end{bmatrix}

– контравариантные компоненты векторов связанного репера по отношению к базовому. Точка, как мы уже отмечали в прошлой статье, обозначает умножение тензоров с последующей сверткой по соседней паре индексов. Линейный оператор

mathbf{B} = mathbf{B}(t) quad (7)

действует на векторы таким образом, что поворачивает их относительно некоторой оси, не меняя длины и угла между векторами. Такое преобразование пространства называется ортогональным. Для того, чтобы таковое преобразование было возможным, оператор (7) должен обладать вполне определенными свойствами. Если длина векторов базиса и углы между ними не меняются, то это означает равенство всех попарных скалярных произведений векторов репера как в базовой, так и в связанной системах координат

vec{e}_{i} cdot vec{e}_j = vec{s}_i cdot vec{s}_j quad (8)

Правая часть (8) — это локальный метрический тензор

vec{e}_{i} cdot vec{e}_j = g_{ij}

g_{kl} , beta_i^{,,l} , beta_j^{,,k} = g_{ij} quad (9)

или

mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} = mathbf{g} quad(10)

Оператор mathbf{B} является по сути обыкновенной матрицей поворота координатной системы. И (10) утверждает, что если транспонированную матрицу поворота умножить на метрический тензор, а результат умножить на матрицу поворота мы получим снова метрический тензор. Можно сделать вывод, что

Преобразование координат при повороте является тождественным для метрического тензора, то есть переводит метрический тензор сам в себя.

В выражении (10) нетрудно увидеть преобразование метрического тензора про смене системы координат, о котором мы подробно говорили в самой первой статье цикла

Стоп! Но мы же знаем, что матрицы поворота обычно ортогональны, то есть произведение матрицы поворота на её транспонированную дает единичную матрицу, иными словами, чтобы обратить матрицу поворота её достаточно транспонировать.

Но ортогональность свойственна матрицам поворота, преобразующим ортонормированный декартов базис. Здесь мы имеем дело с локальным базисом, при повороте которого должны сохранятся длины векторов и углы между ними. Если мы примем базис декартовым, то из (10) мы получим привычные свойства матрицы поворота, к примеру её ортогональность.

Для дальнейших вычислений нам потребуется знать, как будет выглядеть матрица обратного преобразования, то есть mathbf{B}^{-1}. Что же, посмотрим. Для этого умножим (10) слева на mathbf{g}^{-1} и справа на mathbf{B}^{-1}

mathbf{g}^{-1} cdot mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} cdot mathbf{B}^{-1} = mathbf{g}^{-1} cdot mathbf{g} cdot mathbf{B}^{-1}

откуда незамедлительно получаем

mathbf{B}^{-1} = mathbf{g}^{-1} cdot mathbf{B}^T cdot mathbf{g}

Выходит, что матрица обратного преобразования действительно получается из транспонированной матрицы преобразования, но с участием метрического тензора. Выражения (10) и (11) очень пригодятся нам, а пока сделаем некоторые выводы.

Закон свободного движения твердого тела можно выписать в криволинейных координатах в виде системы уравнений

mathbf{q} = mathbf{q}(t) quad (12)

mathbf{B} = mathbf{B}(t) quad (13)

При этом (12) — закон движения полюса, а (13) — закон сферического движения тела вокруг полюса. При этом (13) — тензор ранга (1,1), называемый тензором поворота.

2. Скорость точки тела при свободном движении. Угловая скорость выходит на сцену

Вычислим скорость точки M, положение которой в связанной системе координат задается постоянными, в силу твердости тела, криволинейными координатами

rho^{,i} = mathop{rm const}

Из курса теоретической механики известна формула, определяющая скорость точки тела в данном движении

vec{v}_M = vec{v}_{O_1} + vecomega times vecrho

где vec{v}_{O_1} — скорость полюса; vecomega times vecrho = vec{u} — скорость точки вокруг полюса.

Так как все координаты, кроме (13) определены относительно базового репера, мы можем записать

q_M^{,(0))i} = q^{(0),i} + beta_{j}^{,,i} , rho^{,(1)j} quad (15)

Индекс в круглых скобках означает систему координат, в которой берутся компоненты (0 — базовая, 1 — связанная). Дифференцируем (15) по времени с учетом (13)

dot q_M^{,(0)i} = dot q^{(0),i} + dotbeta_{j}^{,,i} , rho^{,(1)j}

Перейдем в (16) к связанной системе координат, домножив (15) слева на mathbf{B}^{-1}

dot q_M^{,(1)i} = dot q^{(1),i} + beta_{k}^{,',i} , dotbeta_{j}^{,,k} , rho^{,(1)j} quad (17)

где beta_{k}^{,',i} — компонента оператора обратного преобразования mathbf{B}^{-1}.

Теперь сравним (17) и (14). В последнем слагаемом должно вылезти векторное произведение. Вспоминая определение векторного произведения через тензор Леви-Чивиты, данное во второй статье цикла, замечаем, что на выходе оно дает ковектор, поэтому в (17) перейдем к ковариантым компонентам, домножив это выражение на метрический тензор слева

dot q_{Mi}^{,(1)} = dot q_{,i}^{(1)} + g_{il} , beta_{k}^{,',l} , dotbeta_{j}^{,,k} , rho^{,(1)j} quad (18)

Теперь представим себе, как выглядел бы ковектор скорости точки относительно плюса, записанный через вектор угловой скорости

u_{,i} = varepsilon_{ijk} , omega^{,(1)j} , rho^{,(1)k}

при этом замечая, что

Omega_{,ik}^{,(1)} = varepsilon_{ijk} , omega^{,(1)j}

антисимметричный тензор второго ранга, о котором мы говорили в прошлой статье<. Таким образом, нам бы доказать, что

Omega_{,ij} = g_{,il} , beta_{k}^{,',l} , dotbeta_{j}^{,,k} quad (19)

является антисимметричным тензором второго ранга. Для этого придется доказать, что (19) меняет знак при перестановка индексов (транспонировании). При этом будем учитывать, что метрический тензор — абсолютно симметричный тензор второго ранга и при транспонировании он не меняется. Поэтому исследуем взаимосвязи между матрицами поворота, для чего нам потребуются выражения (10) и (11). Но прежде чем приступить, докажем ещё одно вспомогательное утверждение

3. Лемма о ковариантной производной метрического тензора

Ковариантная производная метрического тензора равна нулю

Обратимся к понятию ковариантной производной вектора, о которой упоминалось в третьей статье. Тогда мы вывели выражения для контравариантных компонент ковариантной производной от вектора

nabla_j , a^m = left(frac{partial a^m}{partial q^j} + a^i , Gamma_{ij}^m right)

Как как и любой вектор, компоненты данного вектора можно трансформировать в ковариантные умножением и сверткой с метрическим тензором

nabla_j a_i = g_{,im} , nabla_j , a^m quad (20)

А можно продифференцировать ковариантные компоненты непосредственно

nabla_j a_i = nabla_j left( g_{,im} , a^m right) = nabla_j , g_{,im} , a^m + g_{,im} , nabla_j , a^m quad (21)

Сравнивая (21) и (20) мы приходим к выводу, что равенство возможно лишь в случае если верно утверждение леммы

nabla_j , g_{,im} = 0 quad (22)

4. Угловая скорость как антисимметричный тензор второго ранга

Теперь, перепишем (19) в безиндексном виде, учтя уравнение (11)

Omega = mathbf{g} cdot mathbf{B}^{-1} cdot mathbf{dot{B}} = mathbf{B}^{,T} cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} quad (23)

Далее, нам нужна связь между оператором поворота и его производной — дифференцируем (10) по времени

mathbf{dot{B}}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} + mathbf{B}^T cdot frac{partial mathbf{g}}{partial mathbf{q}} , mathbf{dot{q}} cdot mathbf{B} = frac{partial mathbf{g}}{partial mathbf{q}} , mathbf{dot{q}}

или, собирая производные от метрического тензора в правой части

mathbf{dot{B}}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = frac{partial mathbf{g}}{partial mathbf{q}} , mathbf{dot{q}} - mathbf{B}^T cdot frac{partial mathbf{g}}{partial mathbf{q}} , mathbf{dot{q}} cdot mathbf{B} quad (24)

Но, производные от метрического тензора в (24) будут равны нулю, в силу равенства нулю ковариантной производной метрического тензора. Значит правая часть (24) равна нулю

mathbf{dot{B}}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = 0 quad (25)

Пользуясь свойствами операции транспонирования, преобразуем (25)

left( left( mathbf{dot{B}}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{B} right)^T right)^T + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = 0

left( mathbf{B}^T cdot left( mathbf{dot{B}}^T cdot mathbf{g} right)^T right)^T + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = 0

left( mathbf{B}^T cdot mathbf{g}^T cdot mathbf{dot{B}} right)^T + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = 0&quot;

Так как mathbf{g}^T = mathbf{g} и с учетом (23), получаем

left( mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} right)^T + mathbf{B}^T cdot mathbf{g} cdot mathbf{dot{B}} = 0

Omega^T + Omega = 0 quad (26)

Из (26) непосредственно следует антисимметричность тензора (19)

Omega^T = -Omega quad (26)

Ну а коль скоро (19) антисимметричный тензор, то мы смело переписываем (18)

dot q_{Mi}^{,(1)} = dot q_{,i}^{(1)} + Omega_{,ij}^{(1)} , rho^{,(1)j} quad (28)

Таким образом мы приходим к выводу, что (19) и (23) есть ни что иное как антисимметричный тензор угловой скорости

5. Псевдовектор угловой скорости

Любому антисимметричному тензору можно поставить в соответствие псевдовектор, который мы уже получали в предыдущей статье. Повторим этот результат для тензора угловой скорости

omega^{,j} = frac{1}{2} , varepsilon^{,ijk} , Omega_{,ik} = frac{1}{2} ,varepsilon^{,ijk} , beta_i^{,,p} , g_{,pl} , dotbeta_k^{,,l} quad (29)

Возможно читателю знаком распространенный подход замены векторного произведения на умножение кососимметричной матрицы, построенной из первого вектора по определенному правилу, на второй вектор. Так вот это правило получается естественным путем, если в качестве инструмента использовать тензорное исчисление. Действительно, вот эта кососимметричная матрица, которой в матричном изложении механики заменяют угловую скорость

Omega = sqrt g , begin{bmatrix} 0 &amp;&amp; -omega^{,3} &amp;&amp; omega^{,2} \ omega^{,3} &amp;&amp; 0 &amp;&amp; -omega^{,1} \ -omega^{,2} &amp;&amp; omega^{,1} &amp;&amp; 0 end{bmatrix}

Возможно, внимательный читатель увидит, что в полученной матрице знаки противоположны тем, что мы получали в статье, посвященной антисимметричным тензорам. Да, все верно, ведь в той статье мы сворачивали вектор с тензором Леви-Чивиты по его третьему индексу k, тут мы выполняем свертку по среднему индексу j что дает прямо противоположные знаки.

Матрица (30) частенько встречается в литературе, в частности в трудах Д. Ю. Погорелова, но там она вводится как мнемоническое правило. Формула (29) дает четкую связь между вектором угловой скорости и кососимметричной матрицей. Она же дает возможность перейти от (28) к формуле

dot q_{Mi}^{,(1)} = dot q_{,i}^{(1)} + varepsilon_{,ijk} , omega^{,(1)j} rho^{,(1)k} quad (31)
Что, внезапно, эквивалентно векторному соотношению

vec{v}_M = vec{v}_{O_1} + vec{omega} times vec{rho}

Заключение

В этой статье было много математики. И я вынужден пока ограничится этим материалом — статья вышла длинной и насыщенной формулами. Данная тема будет продолжена и углублена в следующих статьях цикла.

Какой же вывод мы можем сделать сейчас? А вот какой

Угловая скорость твердого тела есть антисимметричный тензор, или, соответствующий ему псевдовектор, порождаемый тензором поворота тела относительно базовой системы координат

Для того чтобы написать эту работу потребовалось перелопатить гору литературы. Основные выкладки выполнены автором самостоятельно. Камнем преткновения были матрицы поворота для случая косоугольных координат. Я не сразу разглядел в соотношении (10) преобразование, оставляющее метрику инвариантной, хотя с учетом ранее написанных статей — следовало бы. Понять эту связь мне помог ужасный по оформлению, но очень толковый сайт «На что похожа математика». Кстати видно, что все соотношения переходят в известные для ортогональных матриц, если метрический тензор сделать единичным.

Разговор о механике твердого тела будет продолжен, а пока — всё. Спасибо за внимание!

Продолжение следует…

Источник

Что такое угловая скорость

​Угловая скорость (обозначается как (omega)) — векторная величина, характеризующая скорость и направление изменения угла поворота со временем.

Модуль угловой скорости для вращательного движения совпадает с мгновенной угловой частотой вращения, а направление перпендикулярно плоскости вращения и связано с направлением вращения правилом правого винта.

Единица измерения

В Международной системе единиц (СИ) принятой единицей измерения угловой скорости является радиан в секунду (рад/с)

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Формула угловой скорости

Вектор угловой скорости определяется отношением угла поворота ((varphi)) к интервалу времени ((mathcal t)), за которое произошел поворот:

(omega=frac{trianglevarphi}{trianglemathcal t})

Зависимость угловой скорости от времени

Зависимость (varphi ) от (mathcal t) наглядно показана на графике:

Зависимость угловой скорости от времени

 

Угол, на который повернулось тело, характеризуется площадью под кривой.

Угловая скорость вращения, формула

Через частоту

(omega=2pimathcal n)

(mathcal n) — частота вращения ((1/с))

(pi) — число Пи ((approx 3,14))

(mathcal n=frac1T)

(T )— период вращения (время, за которое тело совершает один оборот)

Через радиус

(omega=frac vR)

(v) — линейная скорость(м/с)

(R) — радиус окружности (м)

Как определить направление угловой скорости

Направление скорости в физике можно определять двумя способами:

  1. Правило буравчика. Буравчик имеет правую резьбу (вращательное движение вправо при закручивании). Если вращать буравчик в направлении вращения тела, он будет завинчиваться (или вывинчиваться) в ту сторону, куда направлена угловая скорость. 
  2. Правило правой руки. Представим, что взяли тело в правую руку. Следует направлять и вращать его туда, куда указывают четыре пальца. Отведенный в сторону большой палец покажет направление угловой скорости при этом вращении.

Связь линейной и угловой скорости

Линейная скорость ((v)) тела, расположенного на расстоянии (R) от оси вращения, прямо пропорциональна угловой скорости.

(v=Romega)

(R) — радиус окружности (м)

Чему равна мгновенная угловая скорость

Мгновенную угловую скорость нужно находить как предел, к которому стремится средняя угловая скорость при (trianglemathcal trightarrow0) :

(omega=lim_{trianglerightarrow0}frac{trianglevarphi}{trianglemathcal t})

Измеряется в рад/с

Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:

Не пропустите также:

  • Как найти игру blood
  • Как найти недорогую кухонную мебель
  • Как больной девушке найти парня
  • Как найти длину дуги окр
  • Как найти клиента мастеру депиляции

    • 0 0 голоса
    Рейтинг статьи
    Подписаться
    Уведомить о
    guest

    0 комментариев
    Старые
    Новые Популярные
    Межтекстовые Отзывы
    Посмотреть все комментарии