Кинематика. Шорохов А.В. - 23 стр.

UptoLike

Составители: 

Рубрика: 

Вычислим ускорение точки в криволинейных ортогональных координа-
тах. Ортогональные проекции ускорения w
i
на направления единичных век-
торов e
i
равны скалярному произведению w
i
= w⃗e
i
:
w
i
=
dv
dt
e
i
=
1
H
i
dv
dt
r
q
i
=
1
H
i
[
d
dt
(
v
r
q
i
)
v
d
dt
(
r
q
i
)]
. (67)
Учитывая, что
d
dt
(
r
q
i
)
=
2
r
q
i
q
1
˙q
1
+
2
r
q
i
q
2
˙q
2
+
2
r
q
i
q
3
˙q
3
, (68)
и дифференцируя (65) по криволинейным координатам
∂⃗v
q
i
=
2
r
q
1
q
i
˙q
1
+
2
r
q
2
q
i
˙q
2
+
2
r
q
3
q
i
˙q
3
, (69)
получим из сравнения (68) и (69)
d
dt
(
r
q
i
)
=
∂⃗v
q
i
. (70)
Теперь продифференцируем (65) по обобщенным скоростям, получим
r
q
i
=
∂⃗v
˙q
i
. (71)
Подставляя (70) и (71) в (67), получим для проекций ускорения
w
i
=
1
H
i
[
d
dt
(
v
dv
d ˙q
i
)
v
∂⃗v
q
i
]
. (72)
Если ввести обозначение T = v
2
/2, то выражение для w
i
можно запи-
сать в более простом виде:
w
i
=
1
H
i
[
d
dt
T
˙q
i
T
q
i
]
. (73)
Таким образом, для вычисления ускорения точки в криволинейных ор-
тогональных координатах необходимо сначала найти коэффициенты Ламе,
затем вычислить квадрат скорости точки v
2
= H
2
1
˙q
2
1
+ H
2
2
˙q
2
2
+ H
2
3
˙q
2
3
, а потом
найти проекции ускорения по формуле (73).
Пример 2.1. Найдем скорость и ускорение материальной точки в сфе-
рической системе координат. Положение точки задается в сферической си-
стеме тремя криволинейными координатами: q
1
= r (r 0) расстоянием до
начала координат, полярным q
2
= φ (0 φ 2π) и азимутальным углами
q
3
= θ (0 θ π) соответственно (рис. 12).
21
      Вычислим ускорение точки в криволинейных ортогональных координа-
тах. Ортогональные проекции ускорения wi на направления единичных век-
торов ⃗ei равны скалярному произведению wi = w⃗ ⃗ ei :
                                    [ (        )         ( )]
               d⃗v    1 d⃗v ∂⃗r   1 d      ∂⃗r         d ∂⃗r
          wi = ⃗ei =            =       ⃗v       − ⃗v         .                 (67)
               dt     Hi dt ∂qi   Hi dt    ∂qi         dt ∂qi
      Учитывая, что
                 ( )
              d ∂⃗r     ∂ 2⃗r         ∂ 2⃗r         ∂ 2⃗r
                     =         q̇1 +         q̇2 +         q̇3 ,                (68)
              dt ∂qi   ∂qi ∂q1       ∂qi ∂q2       ∂qi ∂q3
и дифференцируя (65) по криволинейным координатам
                    ∂⃗v    ∂ 2⃗r         ∂ 2⃗r         ∂ 2⃗r
                        =         q̇1 +         q̇2 +         q̇3 ,             (69)
                    ∂qi   ∂q1 ∂qi       ∂q2 ∂qi       ∂q3 ∂qi
получим из сравнения (68) и (69)
                              ( )
                            d ∂⃗r   ∂⃗v
                                  =     .                                       (70)
                           dt ∂qi   ∂qi
      Теперь продифференцируем (65) по обобщенным скоростям, получим
                                     ∂⃗r   ∂⃗v
                                         =       .                              (71)
                                     ∂qi   ∂ q̇i
      Подставляя (70) и (71) в (67), получим для проекций ускорения
                              [ (            )          ]
                            1 d         d⃗v         ∂⃗v
                     wi =            ⃗v        − ⃗v       .                     (72)
                           Hi dt        dq̇i        ∂qi
      Если ввести обозначение T = v 2 /2, то выражение для wi можно запи-
сать в более простом виде:
                                   [             ]
                                 1 d ∂T       ∂T
                            wi =            −      .                            (73)
                                 Hi dt ∂ q̇i ∂qi
      Таким образом, для вычисления ускорения точки в криволинейных ор-
тогональных координатах необходимо сначала найти коэффициенты Ламе,
затем вычислить квадрат скорости точки v 2 = H12 q̇12 + H22 q̇22 + H32 q̇32 , а потом
найти проекции ускорения по формуле (73).
      Пример 2.1. Найдем скорость и ускорение материальной точки в сфе-
рической системе координат. Положение точки задается в сферической си-
стеме тремя криволинейными координатами: q1 = r (r ≥ 0) – расстоянием до
начала координат, полярным q2 = φ (0 ≤ φ ≤ 2π) и азимутальным углами
q3 = θ (0 ≤ θ ≤ π) соответственно (рис. 12).

                                                                                  21