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

Уравнения движения динамически несимметричного шара с центром масс, совпадающим с геометрическим центром, можно записать в форме
\[
\begin{array}{ll}
\dot{\boldsymbol{M}}=\boldsymbol{M} \times \boldsymbol{\omega}+\boldsymbol{\gamma} \times \frac{\partial U}{\partial \gamma}, & \dot{\boldsymbol{\gamma}}=\boldsymbol{\gamma} \times \boldsymbol{\omega}, \\
\boldsymbol{M}=\mathbf{I} \boldsymbol{\omega}+D \boldsymbol{\gamma} \times(\boldsymbol{\omega} \times \gamma), & D=m a^{2},
\end{array}
\]
$\mathbf{I}=\operatorname{diag}\left(I_{1}, I_{2}, I_{3}\right)$ – центральный тензор инерции, $U=U(\gamma)$ – потенциальная энергия. Уравнения (2.1) всегда имеют меру с плотностью $\rho$ и первые интегралы вида
\[
\begin{array}{l}
\rho=\frac{1}{\sqrt{1-D(\boldsymbol{\gamma}, \mathbf{A} \gamma)}}, \quad \mathbf{A}=(\mathbf{I}+D \mathbf{E})^{-1}, \quad \mathbf{E}=\left\|\delta_{i j}\right\|, \\
H=\frac{1}{2}(\boldsymbol{M}, \boldsymbol{\omega})+U(\gamma), \quad F_{1}=\gamma^{2}=1 \quad F_{2}=(\boldsymbol{M}, \gamma) .
\end{array}
\]

При $U=0$ появляется еще интеграл $F_{3}=M^{2}$ и задача становится интегрируемой (С.А.Чаплыгин, 1903 г. [25]), соответствующее трехмерное отображение приведено на рис. 3 .

Как показано в [15], эта задача остается интегрируемой при добавлении потенциала Бруна
\[
U=\frac{1}{2} k(\mathbf{I} \gamma, \gamma)
\]

Интеграл $F_{3}$ при этом несколько видоизменяется
\[
F_{3}=M^{2}-\frac{k}{\operatorname{det} \mathbf{A}}(\gamma, \mathbf{A} \gamma)
\]

Как было указано авторами в [6], уравнения (2.1) после замены времени $d \tau=\rho d t$ для любых потенциалов $U$ становятся гамльтоновыми со скобкой Пуассона, которая нелинейна по фазовым переменным $(\boldsymbol{M}, \boldsymbol{\gamma})$ и имеет вид
\[
\begin{array}{c}
\left\{M_{i}, M_{j}\right\}=\varepsilon_{i j k} \rho^{-1}\left(M_{k}-g \gamma_{k}\right), \quad\left\{M_{i}, \gamma_{j}\right\}=\varepsilon_{i j k} \rho^{-1} \gamma_{k}, \quad\left\{\gamma_{i}, \gamma_{j}\right\}=0, \\
g=D(\boldsymbol{\omega}, \gamma)=\frac{D(\boldsymbol{\gamma}, \mathbf{A} \boldsymbol{M})}{1-D(\boldsymbol{\gamma}, \mathbf{A} \gamma)} .
\end{array}
\]

Скобка (2.3) является вырожденной, ее функциями Казимира являются интегралы $F_{1}, F_{2}$ (2.2). Гамильтониан, соответствующй скобке (2.3) получается из энергии (2.2), выраженной через моменты по формуле
\[
H=\frac{1}{2}(\boldsymbol{M}, \mathbf{A} \boldsymbol{M})+\frac{1}{2} g(\mathbf{A} \boldsymbol{M}, \gamma)+U(\gamma) .
\]

После замены переменных $\boldsymbol{K}=\rho \boldsymbol{M}$ скобка Пуассона и гамильтониан прелставляются в форме
\[
\begin{array}{c}
\left\{K_{i}, K_{j}\right\}=\varepsilon_{i j k}\left(K_{k}-D \rho^{2}(\boldsymbol{K}, \gamma) a_{k} \gamma_{k}\right), \quad\left\{K_{i}, \gamma_{j}\right\}=\varepsilon_{i j k} \gamma_{k}, \quad\left\{\gamma_{i}, \gamma_{j}\right\}=0, \\
H=\frac{1}{2} \rho^{-2}(\boldsymbol{K}, \mathbf{A} \boldsymbol{K})+\frac{1}{2} D(\mathbf{A} \boldsymbol{K}, \gamma)^{2}+U(\gamma) .
\end{array}
\]

Таким образом, на нулевом уровне $(\boldsymbol{K}, \boldsymbol{\gamma})=0$ скобка (2.5) переходит в скобку, описываемой алгеброй $е(3)$, на которой записываются уравнения Эйлера – Пуассона и Кирхгофа [5].

Отметим, что для рассматриваемой задачи плотность меры $\rho$ является приводящим множителем (по Чаплыгину [27]), с помощью которого неголономные уравнения сводятся к гамильтоновой системе. Сам Чаплыгин при интегрировании уравнений движения несимметричного шара использовал такое сведение, тредварительно введя неголономный аналог сфероконических координат. Можно поступить и обратным образом [25] и сначала сделать замену времени $d \tau=\rho d t$, получить гамильтонову систему, а затем ввести обычные сфероконические координаты и воспользоваться методом Гамильтона – Якоби.

В отличие от пуассоновой структуры (2.8), которая относится к системе, приведенной по полю симметрии, соответствующего собственному вращению, структура (2.12) относится к полной системе (1.1), (1.2).

K сожалению, нам не удалось распространить (поднять) приведенную структуру (2.8) на такую полную систему. Возможно, что это либо слишком сложно, либо этому препятствуют некоторые динамические эффекты. K сожалению, динамические эффекты, препятствующие гамильтоновости, почти совсем не изучены ${ }^{1}$ [4].

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru