Формулировка Удвадиа-Калаба
Часть серии о |
Классическая механика |
---|
В классической механике формулировка Удвадиа -Калабы представляет собой метод вывода уравнений движения механической системы со связями . [ 1 ] [ 2 ] Впервые метод описал Анатолий Федорович Верещагин. [ 3 ] [ 4 ] для частного случая роботизированного оружия , а затем обобщен на все механические системы Фирдаусом Э. Удвадиа и Робертом Э. Калабой в 1992 году. [ 5 ] Этот подход основан на принципе наименьшего ограничения Гаусса . Метод Удвадиа-Калабы применим как к голономным, так и к неголономным ограничениям, если они линейны по отношению к ускорениям. Метод обобщается на ограничивающие силы, которые не подчиняются принципу Даламбера . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Фон
[ редактировать ]Уравнение Удвадиа-Калабы было разработано в 1992 году и описывает движение механической системы со связями, на которую наложены ограничения-равенства. [ 5 ]
Это отличается от лагранжева формализма, который использует множители Лагранжа для описания движения механических систем с ограничениями, и других подобных подходов, таких как подход Гиббса-Аппелла . Физическая интерпретация уравнения находит применение в областях, выходящих за рамки теоретической физики, таких как управление сильно нелинейными общими динамическими системами. [ 9 ]
Центральная проблема ограниченного движения
[ редактировать ]При изучении динамики механических систем конфигурация данной системы S , вообще говоря, полностью описывается n обобщенными координатами , так что ее обобщенный координатный n -вектор имеет вид
где T обозначает транспонирование матрицы . Используя ньютоновскую или лагранжеву динамику , неограниченные уравнения движения исследуемой системы S можно вывести в виде матричного уравнения (см. умножение матриц ):
где точки представляют собой производные по времени :
Предполагается, что начальные условия q (0) и известны. Мы называем систему S неограниченной, потому что может быть назначен произвольно.
Q n -вектор обозначает полную обобщенную силу, действующую на систему некоторым внешним воздействием; его можно выразить как сумму всех консервативных , а также неконсервативных сил.
Матрица nxn размером симметрична . M быть положительно и может определенной или полуположительно определенный . Обычно предполагается, что M является положительно определенным; однако нередко выводятся неограниченные уравнения движения системы S такие, что M является только полуположительно определенным; т. е. матрица масс может быть сингулярной (она не имеет обратной матрицы ). [ 10 ] [ 11 ]
Ограничения
[ редактировать ]Теперь мы предполагаем, что система S без ограничений подчиняется набору из m непротиворечивых ограничений равенства, заданных формулой
где A — известная матрица размером m × n ранга r , а b — известный m -вектор. Отметим, что этот набор уравнений ограничений охватывает очень общее разнообразие ограничений голономного и неголономного равенства. Например, голономные связи вида
можно дважды дифференцировать по времени, а неголономные связи вида
по времени, чтобы mxn размером A матрицу b и вектор получить . можно дифференцировать один раз Короче говоря, могут быть определены ограничения, которые
- нелинейные функции перемещения и скорости,
- явно зависит от времени и
- функционально зависимы.
Предполагается, что в результате наложения этих ограничений на неограниченную систему S возникает дополнительная сила, а именно сила ограничения. Следовательно, система со Sc становится связями
где Q c — сила ограничения — дополнительная сила, необходимая для удовлетворения наложенных ограничений. Центральная проблема ограниченного движения теперь формулируется следующим образом:
- учитывая неограниченные уравнения движения системы S ,
- учитывая обобщенное смещение q ( t ) и обобщенную скорость системы со связями в Sc момент времени t и
- учитывая ограничения в виде как сказано выше,
найти уравнения движения системы со связями — ускорения — в момент времени t , что соответствует согласованным принципам аналитической динамики.
Обозначения
[ редактировать ]Ниже для положительно определённого , обозначает обратную величину квадратного корня , определяемого как
- ,
где - ортогональная матрица возникающая в результате собственного разложения (строки которой состоят из подходящим образом выбранных собственных векторов , ) и - диагональная матрица , диагональные элементы которой являются обратными квадратными корнями собственных значений, соответствующих собственным векторам в . [ 1 ]
Уравнение движения
[ редактировать ]Решение этой центральной проблемы даёт уравнение Удвадии–Калабы. Когда матрица M положительно определена, уравнение движения системы со связями S c в каждый момент времени имеет вид [ 5 ] [ 12 ]
где символ «+» обозначает псевдообратную матрицу . Таким образом, сила ограничения задается явно как
и поскольку матрица M положительно определена, обобщенное ускорение системы со связями S c определяется явно выражением
В случае, когда матрица M полуположительно определена , приведенное выше уравнение нельзя использовать напрямую, поскольку M может быть сингулярным. Более того, обобщенные ускорения не могут быть уникальными, если только ( n + m ) на n матрица не может быть уникальной.
имеет полный ранг (rank = n ). [ 10 ] [ 11 ] так как наблюдаемые ускорения механических систем в природе всегда единственны, то это условие ранга является необходимым и достаточным условием для получения однозначно определенных обобщенных ускорений связанной системы Sc Но в каждый момент времени. Таким образом, когда имеет полный ранг, уравнения движения связанной системы S c в каждый момент времени однозначно определяются формулой (1) создающей вспомогательную неограниченную систему [ 11 ]
и с помощью (2) применения основного уравнения движения со связями к этой вспомогательной системе без ограничений так, чтобы вспомогательные уравнения движения со связями явно задавались формулой [ 11 ]
Более того, когда матрица имеет полный ранг, матрица всегда положительно определена. Это явно дает обобщенные ускорения системы со связями S c как
Это уравнение справедливо, когда матрица M либо положительно определена , либо положительно полуопределенна. Кроме того, сила ограничения, которая заставляет систему Sc со связями ( систему, которая может иметь сингулярную матрицу масс M ) удовлетворять наложенным ограничениям, явно определяется выражением
Неидеальные ограничения
[ редактировать ]В любой момент движения мы можем рассмотреть возможность возмущения системы виртуальным смещением δ r, соответствующим ограничениям системы. Смещение может быть как обратимым, так и необратимым. Если перемещение необратимо, то оно совершает виртуальную работу . Мы можем записать виртуальную работу перемещения как
Вектор описывает неидеальность виртуальной работы и может быть связана, например, с силами трения или сопротивления (такие силы имеют зависимость от скорости). Это обобщенный принцип Даламбера , где обычная форма принципа имеет исчезающую виртуальную работу с .
Уравнение Удвадиа-Калабы модифицируется дополнительным неидеальным ограничительным членом, чтобы
Примеры
[ редактировать ]Обратная задача Кеплера
[ редактировать ]Метод позволяет решить обратную задачу Кеплера по определению закона силы, соответствующего орбитам, имеющим конические сечения . [ 13 ] Мы считаем, что внешние силы (даже гравитация) отсутствуют, и вместо этого ограничиваем движение частицы по орбитам вида
где , это эксцентриситет, а это полурасширенная прямая кишка. Двойное дифференцирование по времени и небольшая перестановка дают ограничение.
Мы предполагаем, что тело имеет простую постоянную массу. Мы также предполагаем, что угловой момент вокруг фокуса сохраняется как
с производной по времени
Мы можем объединить эти два ограничения в матричное уравнение
Матрица ограничений имеет обратную
Таким образом, сила принуждения представляет собой ожидаемый центральный закон обратных квадратов.
Наклонная плоскость с трением
[ редактировать ]Рассмотрим небольшой блок постоянной массы, лежащий на наклонной плоскости под углом выше горизонтали. Ограничение на то, что блок лежит на плоскости, можно записать как
Взяв две производные по времени, мы можем представить это в форме стандартного матричного уравнения ограничений.
Матрица ограничений имеет псевдообратную
Допускаем наличие трения скольжения между бруском и наклонной плоскостью. Мы параметризуем эту силу стандартным коэффициентом трения, умноженным на нормальную силу.
В то время как сила гравитации обратима, сила трения — нет. Следовательно, виртуальная работа, связанная с виртуальным перемещением, будет зависеть C. от Мы можем суммировать три силы (внешнее, идеальное ограничение и неидеальное ограничение) следующим образом:
Объединив вышесказанное, находим, что уравнения движения имеют вид
Это похоже на постоянное ускорение вниз под действием силы тяжести с небольшой модификацией. Если блок движется вверх по наклонной плоскости, то трение увеличивает ускорение вниз. Если блок движется вниз по наклонной плоскости, то трение уменьшает ускорение вниз.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Удвадия, FE; Калаба, Р.Э. (1996). Аналитическая динамика: новый подход . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-04833-8 .
- ^ Баухау, Оливье А. (2010). Гибкая динамика многотельных тел . Спрингер. п. 444.
- ^ Верещагин, Анатолий Федорович (1974). «Компьютерное моделирование динамики сложных механизмов роботов-манипуляторов». Инженерная кибернетика . 6 : 65–70.
- ^ Верещагин, Анатолий Федорович (1975). «Принцип наименьшего ограничения Гаусса для моделирования динамики автоматических манипуляторов с использованием цифрового компьютера». Доклады советской физики . 20 (1): 33–34. Бибкод : 1975СФД...20...33В .
- ^ Jump up to: а б с Удвадия, FE; Калаба, Р.Э. (1992). «Новый взгляд на ограниченное движение» (PDF) . Труды Лондонского королевского общества, серия A. 439 (1906): 407–410. Бибкод : 1992RSPSA.439..407U . дои : 10.1098/rspa.1992.0158 . S2CID 120343506 .
- ^ Удвадия, FE; Калаба, Р.Э. (2002). «Об основах аналитической динамики» (PDF) . Международный журнал нелинейной механики . 37 (6): 1079–1090. Бибкод : 2002IJNLM..37.1079U . CiteSeerX 10.1.1.174.5726 . дои : 10.1016/S0020-7462(01)00033-6 .
- ^ Калверли, Б. (2001). «Ограничение или отсутствие ограничений – вот в чем уравнение» . Новости ОСК .
- ^ Удвадия, Ф.; Калаба, Р. (2002). «Какова общая форма явных уравнений движения механических систем со связями?» (PDF) . Журнал прикладной механики . 69 (3): 335–339. Бибкод : 2002JAM....69..335U . CiteSeerX 10.1.1.174.6353 . дои : 10.1115/1.1459071 .
- ^ Чжао, Сяо; Чен, Е-Хва; Чжао, Хан; Донг, Фан-Фан (2018). «Уравнение Удвадиа-Калабы для механических систем со связями: формулировка и приложения» . Китайский журнал машиностроения . 31 (1): 106–120. Бибкод : 2018ChJME..31..106Z . дои : 10.1186/s10033-018-0310-x .
- ^ Jump up to: а б Удвадия, FE; Пхохомсири, П. (2006). «Явные уравнения движения для механических систем со связями с сингулярными массовыми матрицами и приложения к динамике многих тел» (PDF) . Труды Лондонского королевского общества, серия A. 462 (2071): 2097–2117. Бибкод : 2006RSPSA.462.2097U . дои : 10.1098/rspa.2006.1662 . S2CID 38437 .
- ^ Jump up to: а б с д Удвадия, FE; Шютте, AD (2010). «Уравнения движения для общих систем со связями в лагранжевой механике» (PDF) . Акта Механика . 213 (1): 111–129. дои : 10.1007/s00707-009-0272-2 . S2CID 7432252 .
- ^ Удвадия, FE; Калаба, RE (1993). «В движении» (PDF) . Журнал Института Франклина . 330 (3): 571–577. дои : 10.1016/0016-0032(93)90099-G .
- ^ Чжан, Бинчжан; Чжэнь, Шэнчао; Чжао, Хан; Хуанг, Канг; Дэн, Бин; Чен, Е-Хва (2015). «Новое исследование закона Кеплера и закона обратных квадратов гравитации». Евро. Дж. Физ . 36 (3): 035018. Бибкод : 2015EJPh...36c5018Z . дои : 10.1088/0143-0807/36/3/035018 . S2CID 119566554 .