Главная > НЕГОЛОНОМНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (А.В.Борисов, И.С.Мамаев )
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

Будем считать, что векторное поле $\boldsymbol{v}(x)
eq 0$ является полем симметрии неголономной системы с лагранжианом $L(\dot{x}, x)$ и связями
\[
f_{1}(\dot{x}, x)=\ldots=f_{m}(\dot{x}, x)=0,
\]

если фазовый поток $g_{v}^{s}$ дифференциального уравнения
\[
\frac{d x}{d t}=\boldsymbol{v}(x)
\]

сохраняет функции $L$ и $f_{1}, \ldots, f_{m}$.

Предложение 8. Фазовый поток поля симметрий переводит решения неголономной системы в решения той же системы.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. По теореме о выпрямлении, в некоторых локальных координатах $x_{1}, \ldots, x_{n}$ фазовый поток $g_{v}^{s}$ является следующей однопараметрической группой:
\[
x_{1} \rightarrow x_{1}+s ; \quad x_{2} \rightarrow x_{2}, \ldots, x_{n} \rightarrow x_{n} .
\]

В этих переменных функции $L$ и $f_{i}$ не зависят от $x_{i}$, следовательно, уравнения движения тоже не содержат этой переменной. Отсюда вытекает заключение предложения 8 .

В случае интегрируемых связей полю симметрий отвечает линейный по скоростям первый интеграл уравнений движения. Для неголономных систем это не так.

Предложение 9. Если $g_{v}^{s}$ сохраняет лагранжиан и поле $v$ является полем возможных скоростей, то есть
\[
\frac{\partial f_{1}}{\partial \dot{x}} \boldsymbol{v}=\ldots=\frac{\partial f_{m}}{\partial \dot{x}} \boldsymbol{v}=0,
\]

то уравнения движения имеют первый интеграл
\[
\frac{\partial L}{\partial \dot{x}} v=\text { const. }
\]

Это утверждение («теорема Нетер») обсуждается, например, в работе [6].

Теорема 4. Предположим, чпо уравнения движения (6.2) имеют $n-m$ первых интегралов $f_{m+1}, \ldots, f_{n}$. Если
1) в точках множества $E_{c}=\left\{f_{1}=\ldots=f_{m}=0, f_{m+1}=\right.$ $\left.=c_{m+1}, \ldots, f_{n}=c_{n}\right\}$ отличен от нуля якобиан
\[
\frac{\partial\left(f_{1}, \ldots, f_{n}\right)}{\partial \dot{x}_{1}, \ldots, \dot{x}_{n}},
\]
2) существуют поля $v_{1}, \ldots, v_{n-1}$, линейно независимые во всех точках $E_{C}$ порождающие разрешимую алгебру Ли относительно операции коммутирования, фазовые потоки которых $g_{v_{i}}^{s}$ сохраняют функции $L$ и $f_{1}, \ldots, f_{n}$,
3) среди решений системы уравнений
\[
f_{1}=\ldots=f_{m}=0, \quad f_{m+1}=c_{m+1}, \ldots, \quad f_{n}=c_{n},
\]

нет векторов $\dot{x}=\sum \lambda_{s} \boldsymbol{v}_{s}(x), \lambda_{s} \in \mathbb{R}$, тогда решения уравнений (6.2) лежащие на $E_{c}$, находятся с помощью квадратур.

ЗАМЕЧАНИЕ. В некоторых случаях наличие первых интегралов неголономных систем можно установить с помощью следующего наблюдения. Пусть $F(\dot{x}, x)$ – первый интеграл «свободной» голономной системы с лагранжианом $L$. Эта функция является интегралом неголономной системы с тем же лагранжианом $L$ и со связями $f_{1}=\ldots=f_{m}=0$ в том случае, если
\[
\left(\frac{\partial^{2} L}{\partial \dot{x}^{2}}\right)^{-1} \frac{\partial f_{s}}{\partial \dot{x}} \cdot \frac{\partial F}{\partial \dot{x}}=0, \quad 1 \leqslant s \leqslant m,
\]

когда $f_{1}=\ldots=f_{m}=0$. Это инвариантное условие выполнено для интеграла Клебша – Тиссерана в задаче Суслова (теорема 3). Кроме того, оно выполнено для интеграла энергии в случае однородных связей и для интеграла Нетер $\frac{\partial L}{\partial \dot{x}} \cdot \boldsymbol{v}$, если поле $v$ является полем возможных скоростей (предложение 9).

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ 4. По теореме о неявных функциях из системы (7.1) найдем, что
\[
\dot{x}-v_{c}(x) \text {. }
\]

Согласно условиям 2 и 3 , во всех точках $x$ векторы $\boldsymbol{v}_{c}, \boldsymbol{v}_{1}, \ldots, \boldsymbol{v}_{n-1}$ линейно независимые. Фазовые потоки $g_{v_{i}}^{s}$ переводят решения уравнения (7.2) в решения того же уравнения (предложение 8). Для завершения доказательства осталось применить известную теорему Ли об интегрируемости в квадратурах систем дифференциальных уравнений (см., например, [18]).

В качестве иллюстративного примера рассмотрим задачу о скольжении уравновешенного конька по горизонтальному льду. Единицы длины, времени и массы можно подобрать так, чтобы лагранжиан принял следующий вид:
\[
L=\frac{1}{2}\left(\dot{x}^{2}+\dot{y}^{2}+\dot{z}^{2}\right)
\]

Здесь $x, y$ – координаты точки контакта, $z$ – угол поворота конька. Уравнение связи
\[
f=\dot{x} \sin z-\dot{y} \cos z=0 .
\]

Уравнения движения имеют два первых интеграла
\[
\dot{x}^{2}+\dot{y}^{2}+\dot{z}^{2}=h, \quad \dot{z}=c .
\]

Второй выводится из предложения 9 с помощью векторного поля $v_{3}=$ $=(0,0,1)$. Из (7.4) и (7.5) найдем поле $\boldsymbol{v}_{h, c}=\left(\sqrt{h-c^{2}} \cos z\right.$, $\left.\sqrt{h-c^{2}} \sin z, c\right)$. Поля $\boldsymbol{v}_{1}=(1,0,0)$ и $\boldsymbol{v}_{2}=(0,1,0)$ являются коммутирующими полями симметрии. Если $c
eq 0$, то векторы $\boldsymbol{v}_{h, c}, \boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ линейно независимы. Следовательно, в этом случае все условия теоремы 4 выполнены. Подчеркнем, что поля $\boldsymbol{v}_{1}$ и $\boldsymbol{v}_{2}$ не порождают законов сохранения.

Теорема 4 налагает жесткие ограничения на неголономную систему. Эти ограничения можно ослабить, заменив условие 2) на условие
2) для фиксированного $c=\left(c_{m+1}, \ldots, c_{h}\right)$ существуют $n-1$ линейно независимых полей $\boldsymbol{v}_{i}(x, c)$, порождающих разрешимую алгебру Ли и коммутирующих с полем $\boldsymbol{v}_{c}(x)$.

Добавим к лагранжиану (7.3) слагаемое $-x / 2$. Это означает, что мы поместили конек на наклонную плоскость. Уравнения (7.4)-(7.5) останутся справедливыми, если заменить $h$ на $h+x$. Тогда поле $\boldsymbol{v}_{h, c}$ станет равным
\[
\left(\sqrt{h-c^{2}+x} \cos z, \sqrt{h-c^{2}+x} \sin z, c\right) .
\]

При фиксированных значениях $h$ и $c
eq 0$ поля
\[
\boldsymbol{v}_{1}=\left(2 \sqrt{h-c^{2}+x},-(\cos z) / c, 0\right), \quad \boldsymbol{v}_{2}=(0,1,0)
\]

независимы с полем $\boldsymbol{v}_{h, c}$ и все их коммутаторы обращаются в нуль. Точно так же можно решить задачу о качении однородного диска по шероховатой плоскости, задачу о качении шара в вертикальной трубе и ряд других задач неголономной механики.

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru