АНАЛИТИЧИСКАЯ ДИНАМИКА (Э.УИТТЕКЕР)

  

РЕГУЛЯРНАЯ И ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА REGULAR \& CHAOTIC DYNAMICS
T0м 9
Редакционный совет:
главный редактор: В. В. Козлов ответственный редактор: A. В. Борисов редактор-консультант: Ю. А. Данилов
Editorial Board:
Editor-in-Chief: $V$. V. Kozlov
Managing Editor: A. V. Borisov
Advisory Editor: Y. A. Danilov

A TREATISE
ON THE

ANALITICAL DYNAMICS OF PARTICLES AND RIGID BODIES
WITH AN INTRODUCTION TO THE PROBLEM OF THREE BODIES
BY
E. T. Whittaker
Hon. LL. D. (St Andrews); Hon. Sc. D. (Dubl.), F.R.S. Professor of Mathematics in the University of Edinburg
THIRD EDITION
CAMBRIDGE
AT THE UNIVERSITY PRESS
1927

Э. Уиттекер

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА
Перевод с английского
И.Г.Малкина
Редакция журнала
«Регулярная и хаотическая динамика»
Издательский дом
«Удмуртский университет»
1999

УдК 530.14
Библиотека «R \& C Dynamics»
Том 9

Серия организована издапельспвом «УРСС» и редакцией журнала «Регулярная и хаотическал динамика» в 1998 г.

Уиттекер Э.Т.
Аналитическая динамика. – Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 1999, 588 с.
ISBN 5-7029-0333-1
Данная книга представляет собой одно из наиболее полных собраний классических результатов по аналитической механике. В первых главах данной книги изложены основы аналитической динамики, такие, как кинематика, динамика твердого тела, уравнения движения, методы их интегрирования, теория колебаний и другие. Также приведены все известные на начало этого века интегрируемые задачи в динамике материальной точки и динамике твердого тела. Кроме того, в книге освещены такие вопросы, как теория преобразований в динамике, теория гамильтоновых систем и интегрирование при помощи рядов. Много места уделено небесной механике и, в частности, задаче трех тел. Книга предназначена для студентов, аспирантов и полезна для научных сотрудников и преподавателей.
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 99 – 01-14023

ISBN 5-7029-0333-1
Оригинал-макет подготовлен в редакции журнала «Регулярная и хаотическая динамика» http://ww.rcd.com.ru
(c) Редакция журнала «Регулярная и хаотическая динамика», 1999
(с) Издательский дом «Удмуртский университет», 1999


Оглавление

СЕРИЯ РЕГУЛЯРНАЯ И ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА
От редакции
Предисловие автора к третьему английскому изданию
Глава I. Элементы кинематики
§1. Движение твердого тела.
§2. Теорема Эйлера о вращении тела вокруг точки.
§3. Теорема Родрига и Гамильтона ${ }^{1}$.
§4. Сложение двух равных вращений вокруг антипараллельных осей.
§5. Теорема Шаля о наиболее общем движении твердого тела ${ }^{1}$.
§6. Теорема Альфана о сложении двух любых движений.
§7. Аналитическое представление движения.
§8. Сложение бесконечно малых вращений.
§9. Параметрическое представление вращения вокруг точки по Эйлеру ${ }^{1}$.
§10. Углы Эйлера.
§11. Связь углов Эйлера с параметрами $\xi, \eta, \zeta, \chi$.
§12. Связь вращений с линейными преобразованиями; параметры Кэли-Клейна.
§13. Векторы.
§14. Скорость и ускорение; их векторный характер.
§15. Угловая скорость; ее векторный характер.
§16. Выражение компонентов угловой скорости системы через углы и параметры Эйлера.
§17. Производная по времени от вектора, заданного своими компонентами относительно подвижных осей.
§18. Частные виды разложения скорости и ускорения.
Упражнения.
Глава II. Уравнения движения
§19. Понятие покоя и движения.
§20. Законы движения ${ }^{1}$.
§21. Сила.
§22. Работа.
§23. Силы, не производнщие работы.
§24. Координаты динамической системы.
§25. Голономные и неголономные системы.
§26. Уравнения движения Лагранжа для голономных систем $^{1}$.
§27. Консервативные силы; кинетический потенциал.
§28. Явный вид уравнений Лагранжа.
§29. Движение системы, равномерно вращающейся вокруг оси.
§30. Уравнения Лагранжа в квазикоординатах.
§31. Силы с потенциалом, зависящим от скоростей.
§32. Начальные движения.
§33. Закон подобия в динамических системах ${ }^{1}$.
§34. Движение под действием обратно направленных сил.
§35. Импульсивные движения.
§36. Уравнения Лагранжа для импульсивных движений.
Упражнения.
Глава III. Методы интегрирования
§37. Задачи, разрешимые в квадратурах.
§38. Системы с циклическими координатами.
§39. Интегралы количества движения и момента количества движения.
§40. Общая теорема о моменте количества движения.
§41. Уравнение энергии.
§42. Приведение динамической системы к системе с меньшим числом степеней свободы при помощи уравнения энергии.
§43. Разделение переменных; динамические системы типа Лиувилля.
Упражнения.
Глава IV. Разрешимые задачи динамики точки
§44. Материальная точка с одной степенью свободы; математический маятник.
§45. Движение точки по движущейся кривой.
§46. Движение двух свободных материальных точек под действием сил взаимного притяжения или отталкивания.
§47. Общий случай центральных сил; теорема Гамильтона.
§48. Случаи центрального движения, разрешимые в квадратурах; интеграция с помощью круговых и эллиптических функций.
§49. Движение по закону тяготения ${ }^{1}$ Ньютона.
§50. Центральные и параллельные силы.
§51. Теорема Бонне.
§52. Определение наиболее общего поля сил по заданной траектории или заданному семейству траекторий.
§53. Задача двух притягивающих центров.
§54. Движение по поверхности ${ }^{2}$.
§55. Движение по поверхности вращения; случаи, разрешимые в круговых и эллиптических функциях ${ }^{1}$.
§56. Теорема Жуковского.
Упражнения.
Глава V. Динамические характеристики твердого тела
§57. Определения.
§58. Моменты инерции простейших тел ${ }^{1}$.
§59. Определение момента инерции относительно произвольной оси по моменту инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести параллельно первой.
§60. Связь между моментами инерции относительно различных систем координат с общим началом.
§61. Главные оси инерции; эллипсоид инерции Коши.
§62. Вычисление момента количества движений движущегося твердого тела.
§63. Вычисление кинетической энергии движущегося твердого тела.
§64. Независимость движения центра тяжести от движения тела, относительно него.
Упражнения.
Глава VI Разрешимые задачи динамики твердого тела
§65. Движение системы с одной степенью свободы; вращение вокруг оси и т. д.
§66. Движение системы с двумя степенями свободы.
§67. Начальные движения.
§68. Движение системы с тремя степенями свободы.
§69. Движение по инерции твердого тела, имеющего неподвижную точку.
§70. Кинематическое представление движения по Пуансо; полодии и герполодии.
§71. Движение волчка по абсолютно шероховатой плоскости; определение угла $\vartheta$.
§72. Определение остальных углов Эйлера и параметров Кэли-Клейна; шаровой волчок.
§73. Движение волчка на гладкой плоскости ${ }^{1}$.
§74. Волчок Ковалевской.
§75. Импульсивное движение.
Упражнения.
Глава VII. Теория колебаний
§76. Колебания около положения равновесия.
§77. Нормальные координаты.
§78. Теорема Сильвестера о вещественности корней детерминантного уравнения.
§79. Интегрирование уравнений. Периоды. Устойчивость.
§80. Примеры колебаний около положения равновесия.
§81. Влияние новой связи на периоды колеблющейся системы.
§82. Стационарный характер нормальных колебаний.
§83. Колебания около стационарного состояния движения.
§84. Интегрирование уравнений.
§85. Примеры колебаний около стационарного состояния движения.
§86. Колебания систем с переменными связями.
Упражнения.
Глава VIII. Неголономные системы. Диссипативные системы
§87. Уравнения Лагранжа с неопределенными множителями.
§88. Уравнения движения относительно подвижных осей.
§89. Приложение к отдельным видам неголономных систем.
§90. Колебания неголономных систем.
§91. Диссипативные системы. Трение.
§92. Силы сопротивления, зависящие от скорости.
§93. Функция рассеяния Релея.
§94. Колебания диссипативных систем.
§95. Удар.
§96. Потеря энергии при ударе.
§97. Примеры на удар.
Упражнения.
Глава IX Принципы наименьшего действия и наименьшей кривизны
§98. Траектории динамической системы.
§99. Принцип Гамильтона для консервативных голономных систем.
§100. Принцип наименьшего действия для консервативных голономных систем.
§101. Распространение принципа Гамильтона на неконсервативные динамические системы.
§102. Распространение принципа Гамильтона и принципа наименьшего действия на неголономные системы ${ }^{1}$.
§103. Являются ли стационарные интегралы действительно минимальными? Кинетические фокусы.
§104. Представление движения динамической системы с помощью геодезических линий.
§105. Принцип наименьшей кривизны Гаусса-Герца.
§106. Кривизна траектории в функции обобщенных координат.
§107. Уравнения Аппеля.
§108. Теорема Бертрана.
Упражнения.
Глава X. Системы Гамильтона и их интегральные инварианты
§109. Гамильтонова форма дифференциальных уравнений движения.
§110. Дифференциальные уравнения вариационных задач.
§111. Интегральные инварианты.
§112. Уравнения в вариациях.
§113. Интегральные инварианты первого порядка.
§114. Относительные интегральные инварианты.
§115. Относительный интегральный инвариант системы Гамильтона.
§116. о системах с относительным интегральным инвариантом $\int \sum p_{r} \delta q_{r}$.
§117. Интегральные инварианты как функции интегралов.
§118. Теорема Ли и Кёнигса.
§119. Последний множитель.
§120. Нахождение интеграла при помощи двух множителей.
§121. Приложение теории последнего множителя к системам Гамильтона.
§122. Интегральные инварианты, порядок которых равен порядку системы.
§123. Приведение дифференциальных уравнений к форме Лагранжа.
§124. Частный случай.
Упражнения.
Глава XI. Теория преобразований в динамике
§125. Характеристическая функция Гамильтона, контактные преобразования.
§126. Контактные преобразования в пространстве с любым числом измерений.
§127. Билинейный ковариант дифференциальной формы.
§128. Условия для контактного преобразования, выраженные через билинейный ковариант.
§129. Условия для контактного преобразования, выраженные через скобки Лагранжа.
§130. Скобки Пуассона.
§131. Условия для контактного преобразования, выраженные через скобки Пуассона.
§132. Расширенные точечные преобразования и подгруппа преобразований Матьё.
§133. Бесконечно малые контактные преобразования.
§134. Новое понимание динамики на основе контактных преобразований.
§135. Теорема Гельмгольца.
§136. Теорема Якоби о преобразовании данной динамической системы в другую динамическую систему.
§137. Связь уравнений динамики с дифференциальной формой.
§138. Гамильтонова функция преобразованных уравнений.
§139. Преобразования, в которых преобразуется также и независимая переменная.
§140. Новая формулировка задачи интегрирования.
Упражнения.
Глава XII. Свойства интегралов динамических систем
§141. Понижение порядка системы Гамильтона при помощи интеграла энергии.
§142. Гамильтоново уравнение с частными производными.
§143. Интеграл Гамильтона как решение гамильтонова уравнения с частными производными.
§144. Связь интегралов с бесконечно малыми преобразованиями системы.
§145. Теорема Пуассона.
§146. Теорема Лагранжа.
§147. Система в инволюции.
§148. Решение динамической задачи с $n$ степенями свободы, для которой известны $n$ интегралов.
§149. Теорема Леви-Чивита.
§150. Системы с интегралами, линейными относительно импульсов.
§151. Определение сил, действующих на систему, если известен один из ее интегралов.
§152. Приложение к задаче движения материальной точки, уравнения движения которой допускают квадратичный относительно скоростей интеграл.
§153. Общие динамические системы, допускающие интегралы, квадратичные относительно скоростей.
Упражнения.
Глава XIII Задача трех тел
§154. Введение.
§155. Дифференциальные уравнения задачи.
§156. Уравнение Якоби.
§157. Приведение к двенадцатому порядку при помощи интегралов движения центра тяжести.
§158. Приведение к восьмому порядку при помощи интегралов моментов и исключения узла.
§159. Приведение к шестому порядку.
§160. Другой способ приведения системы от восемнадцатого порядка к шестому.
§161. Плоская задача трех тел.
§162. Ограниченная задача трех тел.
§163. Обобщение на задачу $n$-тел.
Упражнения.
Глава XIV. Теоремы Брунса и Пуанкаре
§164. Теорема Брунса.
§165. Теорема Пуанкаре.
Глава XV. Общая теория траекторий
§166. Введение.
§167. Периодические решения.
§168. Критерий для отыскания периодических траекторий.
§169. Асимптотические решения.
§170. Траектории планет в теории относительности.
§171. Движение по инерции материальной точки на поверхности эллипсоида.
§172. Обыкновенные и особые периодические решения.
§173. Характеристические показатели.
§174. Характеристические показатели в случае, когда функции $X_{i}$ не содержат явно $t$.
§175. Характеристические показатели системы, допускающей однозначный интеграл.
§176. Теория матриц.
§177. Характеристические показатели гамильтоновых систем.
§178. Вывод асимптотических решений § 170 из теории характеристических показателей.
§179. Характеристические показатели обыкновенных и особых периодических решений.
§180. Три лагранжевы материальные точки.
§181. Устойчивость лагранжевых точек; смежные периодические решения.
§182. Влияние членов высших порядков на устойчивость траекторий.
§183. Притягивающие и отталкивающие области силового поля.
§184. Приложение интеграла энергии к задаче устойчивости.
§185. Приложение интегральных инвариантов к вопросам устойчивости.
§186. Геометрия динамики.
§187. Связь с теорией преобразования поверхностей.
Упражнения.
Глава XVI. Интегрирование при помощи рядов
§188. Необходимость в рядах, сходящихся для всех значений времени. Ряды Пуанкаре.
§189. Регуляризирование задачи трех тел.
§190. Тригонометрические ряды.
§191. Исключение членов первого порядка в функции $H$.
§192. Определение нормальных координат при помощи контактного преобразования.
§193. Преобразование $H$ к тригонометрическому виду.
§194. Другие виды движения, приводящие к аналогичным уравнениям.
§195. Задача интегрирования.
§196. Определение родственного интеграла в случае
§197. Пример нахождения родственного интеграла в случае
§198. Вопрос о сходимости.
§199. Использование родственного интеграла для полной интеграции.
§200. Основное свойство родственного интеграла.
§201. Определение родственного интеграла в случае 2.
§202. Пример нахождения родственного интеграла в случaе 2.
§203. Определение родственного интеграла в случае 3.
§204. Пример нахождения родственного интеграла в случае 3.
§205. Завершение интеграции динамических систем в случаях 2 и 3.
Упражнения.
email@scask.ru