朗道力学笔记 III

范围:第六章 刚体的运动

六、刚体的运动

1. 刚体的运动方程

刚体有六个自由度,因而有六个运动方程。

1.1 动量方程

对每一个质点都有 p˙=mv˙=f,对刚体所有质点求和,得到:

(6.1)p˙=fP=μV˙=f

其中 P=p 为刚体的总动量,μ=m 为刚体的总质量,V=mvm 为刚体的质心速度。这里的 f 是总力,包括内力和外力。

下面给出了计算总力和的方法,相当于说明总力和等于外力和。对于每一个质点 fi=Uτi,其中 τi 为各个质点在固定坐标系下的矢径。

f=Uτi

记刚体的质心矢径为 R,若让刚体整体平移 δR,势能改变量 δU

δU=Uτiδτi=δRUτi=δRf

为使上式对任意 R 均满足,得到

(6.2)f=UR

结合式(6.1)(6.2)即得到刚体的动量方程。

1.2 角动量方程

对每一个质点 τ×p˙=τ×f。求和得到:

τ×p˙=τ×f

又因为 τ˙×p=0 (两者平行)

M˙=ddtτ×p=τ˙×p+τ×p˙=τ×p˙=τ×f(6.3)              i.e.     M˙=τ×f=K

τR+r 表示

M=(R+r)×p=R×P+r×pK=(R+r)×f=R×F+r×f

改写方程(6.3)

R˙×P+R×P˙+ddtr×p=R×F+r×f(6.4)ddtr×p=r×f

(6.4)说明刚体的转动可以在刚体质心系中研究。

同上,下面说明质心系内总力矩的算法,即总力矩=和外力距。逻辑上,在计算之前,还要说明两个问题。

  1. 刚体的所有固定质心的运动都可以看作是一次绕轴转动。这就是所谓的毛球定理。这可以用压缩映射原理去证明,通过四元数旋转函数也很好说明。

  2. 刚体的小角度转动是可以用一个角度矢量表征的。这是因为角度实在太小,矢径在转动过程中基本不变,有可加性。加的性质也与矢量加法相同。

让刚体绕固定坐标系原点转动角度 δφ,势能改变 δU

δU=Uτiδτi=Uτi(δφ×τi)=δφ(τi×Uτi)=δφτi×fi

同上,故有

(6.5)K=τi×fi=Uφ

结合式(6.3)(6.4)即得到刚体的动量方程。

2. 惯量张量

2.1 转动动能的惯量张量表示

刚体的总动能

(6.6)T=12miτ˙i2

将每个矢径写作刚体质心矢径与质心指向质点的矢径,即 τ=R+r

T=12mi(R˙+r˙i)2=12mi(R˙2+R˙r˙i+r˙i2)(6.7)=12μR˙2+12mir˙i2

于是刚体的动能被分为两部分,前者为平动动能,后者为转动动能(用 Trot 表示)。根据前面1.2中的两点数学理论,我们可以记

Ω=dφdt

得到

Trot=12mir˙i2=12mi(Ω×ri)(Ω×ri)=12miri((Ω×ri)×Ω)=12miri((Ωri)Ω+(Ω2)ri)=12mi(Ω2ri2(Ωri)2)

Ω=(Ω1,Ω2,Ω3),r=(r1,r2,r3)。对于一个质点 i

Ω2r2(Ωr)2=lΩl2nrn2jkΩjΩkrjrk=jkΩjΩkϵjknrn2jkΩjΩkrjrk=jkΩjΩk(ϵjknrn2rjrk)

这里的 ϵjk 为克罗内克符号。每个求和都是对三个分量求和。记张量

Ijk(i)=mi(ϵjknrn2rjrk)

则有

Trot(i)=12Ω I(i)ΩT

求和得

Trot=12Ω iI(i) ΩT=12Ω I ΩT

其中 I 即为刚体的惯量张量,展开写为

(6.8)I=(m(ϵjknrn2rjrk))3×3=(m(y2+z2)mxymxzmxym(x2+z2)mzymxzmzym(y2+x2))

显然 I 是一个实对称阵,可以酉对角化为

I=(I1000I2000I3)

即选定合适的笛卡尔坐标系轴(这些轴被称为惯量主轴),可以得到如上的惯量张量。其中各分量被称为主转动惯量

2.2 运动方程的惯量张量表示

按照式(6.4)中,考虑质心系中的角动量 M

M=r×p=r×m(V+Ω×r)=(mr)×V+mr×(Ω×r)=mr×(Ω×r)=m(Ω(rr)r(Ωr))(6.9)=(I ΩT)T

运动方程也能写成

(6.10)ddtΩ I=r×f

这也可以通过拉格朗日方程得到:

L=TU=12Ω I ΩTU

当角度很小时,可以以转动角度 φ 为广义坐标

ddtLΩ=Lφddt12Ω I ΩTΩ=UφddtΩ I=Uφ

这就是(6.10)和(6.5)结合成的运动方程。

3. 欧拉角、欧拉方程

三个欧拉角如图 ϕ,ψ,θ 所示。其中 ON#x1Ox2,#xOy 的交线。

image-20220728083403434

下面用 θ˙,ϕ˙,ψ˙ 表示角速度。θ˙ 方向沿着 ON,故沿 x1,x2,x3 的投影分别为:

θ˙1=θ˙cosψθ˙2=θ˙sinψθ˙3=0

ϕ˙ 沿 z+ 方向,可分解为沿 x3+ 方向分量;和垂直x3+,且在 #x3Oz 内(即在 #x1Ox2 内且垂直于 ON )分量。

ϕ˙1=ϕ˙sinθsinψϕ˙2=ϕ˙sinθcosψϕ˙3=ϕ˙cosθ

ψ˙ 沿 x3+ 方向。综上有

(6.11)Ω1=θ˙cosψ+ϕ˙sinθsinψΩ2=θ˙sinψ+ϕ˙sinθcosψΩ3=ϕ˙cosθ+ψ˙

x1,x2,x3 分别为三个惯量主轴的方向,对应的主转动惯量分别为 I1,I2,I3将(实验室)固定系的动量和角动量分别在 O-x1x2x3 坐标系中表示,则有关系:

(6.12)dAdtdAdt+Ω×A

这里用 是想说明,如果考虑矢量本身,两者是相等的,但如果写成坐标形式两者是坐标变换对应的。或者也可以写成如下更加明晰的形式:

(6.12’)dAxdti^+dAydtj^+dAzdtk^=dA1dtx^1+dA2dtx^2+dA3dtx^3+Ω×A

其中 A=Axi^+Ayj^+Azk^=A1x^1+A2x^2+A3x^3

又:注意这个改写中 A 的物理含义仍是在 O-xyz 中的。物理不换系,数学换系。

PM 替换掉(6.12)中的 A,代入(6.1)和(6.10)中,写成分量的形式,有:

(6.13)μ(dV1dt+Ω2V3Ω3V2)=F1...I1dΩ1dt+I3I2I1Ω2Ω3=K1...

分量总共六条方程,此即为欧拉方程

4. 刚体的接触

刚体之间的纯滚动,可能会形成非完全约束。这样的约束不能写成坐标满足的等式。

例如:球在平面上滚动。约束满足接触点的相对速度为零。如果这个约束能够写成坐标的等式,则对于固定的质心位置 (x,y) 只能有一部分(欧拉角的)位形能够满足。但显然一点上能够存在任意(欧拉角的)位形。

非完全约束的约束方程为:

(6.14)icαiq˙i=0

其中 cαi 是关于坐标 q1,... 的函数,α 表示方程的编号。并且要求这些方程的不能写成某个函数对时间的全导数(否则积分后就变成完全约束了)。

为了解非完全约束的运动,回到最小作用量原理(1.2):

0=δS=δ(t1t2L(q,q˙,t)dt)=t1t2iδqi(LqiddtLq˙)dt

要在约束(6.14)下去极值。(6.14)两边乘上 δt 得到

(6.14’)icαi δqi=0

类似于普通的拉格朗日乘子法

iδqi(LqiddtLq˙)+αλαicαi δqi=0(6.15)LqiddtLq˙+αλαcαi=0

此即为非完全约束的运动方程。