Закон вращения в не ИСО \(~~~~~~\) ry = -Rx·sin(Ω·t) + Ry·cos(Ω·t). \(~~~~~~\) rx = -a·sin(ω·t)·cos(Ω·t) + b·cos(ω·t)·sin(Ω·t); \(~~~~~~\) ry = a·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·cos(ω·t)·cos(Ω·t), где a — основная амплитуда раскачивания маятника, обусловленная его отклонением от положения равновесия при пуске (большая полуось эллипса в инерциальной системе отсчёта); ω — угловая частота маятника; Ω — угловая скорость вращения земли; b — отклонение маятника, связанное с вращением земли (малая полуось эллипса в инерциальной системе отсчёта). Дифференцируем и получаем скорости vy = a·ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t) + a·Ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·Ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t). \(~~~~~~\) vx = Ω·ry - a·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t); \(~~~~~~\) vy = -Ω·rx + a·ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t). \(~~~~~~~~~~~~\) vx = Ω·ry + Vx·cos(Ω·t) + Vy·sin(Ω·t); \(~~~~~~~~~~~~\) vy = -Ω·rx - Vx·sin(Ω·t) + Vy·cos(Ω·t), что сводится к векторному уравнению v = -[Ω×r] + vr. Форма уравнения для вектора скорости не зависит от рассматриваемой задачи. Однако, в этом случае, слагаемые ортогональны только при колебаниях маятника в одной плоскости. Дифференцируем и получаем ускорения - b·ω·Ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·Ω·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·Ω2·cos(ω·t)·sin(Ω·t); ay = -a·ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + a·ω·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + a·Ω·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - a·Ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - b·ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + + b·ω·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·Ω·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - b·Ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t). Приводим через преобразования к виду (3) ay = -ω2·ry + a·ω·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + a·Ω·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - a·Ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·ω·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·Ω·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - b·Ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t). ay = -ω2·ry + 2·a·ω·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - 2·a·Ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + 2·b·ω·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - 2·b·Ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + a·Ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·Ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t). ay = -ω2·ry + 2·a·ω·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - 2·a·Ω2·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + 2·b·ω·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - 2·b·Ω2·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + Ω2·ry. Получили дифференциальные уравнения ay = -ω2·ry - 2·Ω·vx + Ω2·ry, так как -ω2·r = -i·ω2·rx - j·ω2·ry; [Ω×v] = k·Ω·(i·vx + j·vy) = k·i·Ω·vx + k·j·Ω·vy = j·Ω·vx - i·Ω·vy (правый винт); Ω2·r = i·Ω2·rx + j·Ω2·ry, получим (3). Исследование уравнения (3) показывает, что при условии ω·b = Ω·a, соблюдается уравнение (-ω2·r - [Ω×v] + Ω2·r)·[Ω×v] = 0, т. е. скалярное произведение равно нулю, а значит, множимые вектора ортогональны. Уравнение (4) просто интегрируется по времени и позволяет правильно ответить на вопрос, поставленный в начале статьи, какая относительная скорость вращения маятника относительно земли? v = ∫ aτ·dt - ∫[Ω×dr] = vr - [Ω×r]. Рассмотрим уравнение (3) при условии ω·b ≠ Ω·a. В этом случае скалярное произведение (-ω2·r - [Ω×v] + Ω2·r)·[Ω×v] = const. Обозначим as = -ω2·r - [Ω×v] + Ω2·r. Ω·[v0×as0] = Ω·[v×as] = const; [v0×as0] = [v×as] = P = const — вектор имеет направление угловой скорости. P — можно назвать гироскопической мощностью на единицу массы. С выражением [v×as] можно связать угловую скорость, разделив его на квадрат скорости В этом случае можно записать уравнение Маятник в не ИСО движется под действием трех физически обусловленных ускорений: Покажем, что уравнения (3) и (5) взаимно преобразуются. Обозначим -ω2·r + Ω2·r = -(ω2 - Ω2)·r = -ωs2·r, тогда aτ = v·(v·as)/v2 = v·(v·(-ωs2·r - [Ω×v]))/v2 = v·(-ωs2·r·v - v·[Ω×v])/v2 = v·(-ωs2·r·v)/v2 = -ωs2·v·(r·v)/v2 = -ωs2·(r·v)·v/v2; Ωs = [v×as]/v2 = [v×(-ωs2·r - [Ω×v])]/v2 = (-ωs2·[v×r] - v×[Ω×v])/v2 = (-ωs2·[v×r] - Ω·(v·v) + v·(v·Ω))/v2 = -ωs2·[v×r]/v2 - Ω = ωs2·[r×v]/v2 - Ω; a = aτ + [Ωs×v] - [Ω×v] = -ωs2·(r·v)·v/v2 + [(ωs2·[r×v]/v2 - Ω)×v] - [Ω×v] = -ωs2·(r·v)·v/v2 + ωs2·[[r×v]×v]/v2 - 2·[Ω×v] = -ωs2·((r·v)·v + [v×[r×v]])/v2 - 2·[Ω×v] = = -ωs2·((r·v)·v + r·(v2) - v·(v·r))/v2 - 2·[Ω×v] = -ωs2·r - 2·[Ω×v] = -ω2·r - 2·[Ω×v] + Ω2·r. Уравнения (3) и (5) математически эквивалентны, но физически принципиально отличаются. ... Обратите внимание, что когда тело не имеет идеальной связи с не ИСО, т. е. движется только на её фоне, то выражение -Ω2·r надо рассматривать, как дифференциальное уравнение кинематического движения по окружности в текущей точке координат. Поэтому в уравнении (3), член -Ω2·r, вычитается из результирующего ускорения в не ИСО, т. е. вычитается движение по окружности для наблюдателя r, который находится в этой системе, что физически не связано с наличием центробежной силы. Центробежная сила появляется только при наличии идеальной связи, и её в этом случае можно измерить. ...
[v×r] = [(i·vx + j·vy)×(i·rx + j·ry)] = i·j·vx·ry + j·i·vy·rx = k·(vx·ry - vy·rx). vx·ry = (-a·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + a·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t))·(a·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·cos(ω·t)·cos(Ω·t)) = = -a2·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t)·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - a·b·ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)2 + + a2·Ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)2 + a·b·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t)·cos(ω·t)·cos(Ω·t) - - a·b·ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)2 - b2·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t)·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + + a·b·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t)·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b2·Ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)2.
vy·rx = (a·ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t) + a·Ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·Ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t))·(-a·sin(ω·t)·cos(Ω·t) + b·cos(ω·t)·sin(Ω·t)) = = -a2·ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t)·sin(ω·t)·cos(Ω·t) + a·b·ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)2 - - a2·Ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)2 + a·b·Ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t)·cos(ω·t)·sin(Ω·t) + + a·b·ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)2 - b2·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t)·cos(ω·t)·sin(Ω·t) + + a·b·Ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t)·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b2·Ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)2. vx·ry - vy·rx = = -a·b·ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)2 + a2·Ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)2 - a·b·ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)2 + b2·Ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)2 - - a·b·ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)2 + a2·Ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)2 - a·b·ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)2 + b2·Ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)2 = = -a·b·ω·cos(ω·t)2 + a2·Ω·sin(ω·t)2 - a·b·ω·sin(ω·t)2 + b2·Ω·cos(ω·t)2 = = -a·b·ω + a2·Ω·sin(ω·t)2 + b2·Ω·cos(ω·t)2 = -a·b·ω + Ω·(a2·sin(ω·t)2 + b2·cos(ω·t)2) = -a·b·ω + Ω·R2. Момент импульса маятника на единицу массы в относительном движении будет равен ωs2 = ω2 - Ω2. Закон сохранения энергии для маятника v2 = ωs2·a2 - ωs2·r2 = ωs2·(a2 - r2). [v×as] = [v×[-ωs2·r - [Ω×v]]] = -ωs2·[v×r] - [v×[Ω×v]] = -ωs2·[v×r] - Ω·v2 = -k·ωs2·(-a·b·ω + Ω·R2) - Ω·v2 = = -k·ωs2·(-a·b·ω + Ω·R2) - Ω·ωs2·(a2 - r2) = k·ωs2·a·b·ω - k·ωs2·Ω·R2 - Ω·ωs2·(a2 - r2) = = k·ωs2·a·b·ω - k·ωs2·Ω·R2 - Ω·ωs2·a2 + Ω·ωs2·r2 = k·ωs2·a·b·ω - Ω·ωs2·a2 = k·ωs2·a·(b·ω - Ω·a), так как R2 = r2. Ωs = [v×as]/v2 = [v0×as0]/v2 = P/v2 = k·a·(b·ω - Ω·a)/(a2 - r2). При условии b·ω = Ω·a; будет Ωs = 0.
rx·vx = (-a·sin(ω·t)·cos(Ω·t) + b·cos(ω·t)·sin(Ω·t))·(-a·ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t) + a·Ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·Ω·cos(ω·t)·cos(Ω·t)) = = a2·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)·cos(Ω·t)2 - a2·Ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)·sin(Ω·t) + a·b·ω·sin(ω·t)2·cos(Ω·t)·sin(Ω·t) - a·b·Ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)·cos(Ω·t)2 - - a·b·ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)·cos(Ω·t) + a·b·Ω·cos(ω·t)·sin(ω·t)·sin(Ω·t)2 - b2·ω·cos(ω·t)·sin(ω·t)·sin(Ω·t)2 + b2·Ω·cos(ω·t)2·sin(Ω·t)·cos(Ω·t).
ry·vy = (a·sin(ω·t)·sin(Ω·t) + b·cos(ω·t)·cos(Ω·t))(a·ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t) + a·Ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·ω·sin(ω·t)·cos(Ω·t) - b·Ω·cos(ω·t)·sin(Ω·t)) = = a2·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)·sin(Ω·t)2 + a2·Ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)·cos(Ω·t) - a·b·ω·sin(ω·t)2·sin(Ω·t)·cos(Ω·t) - a·b·Ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)·sin(Ω·t)2 + + a·b·ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)·sin(Ω·t) + a·b·Ω·cos(ω·t)·sin(ω·t)·cos(Ω·t)2 - b2·ω·cos(ω·t)·sin(ω·t)·cos(Ω·t)2 - b2·Ω·cos(ω·t)2·cos(Ω·t)·sin(Ω·t). r·v = rx·vx + ry·vy = a2·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t) - b2·ω·cos(ω·t)·sin(ω·t) = (a2 - b2)·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t) = Rx·Vx + Ry·Vy = R·V. Скалярное произведение радиус-вектора и скорости не зависит от вращения системы отсчёта. Так как Ry = b·cos(ω·t); Vy = -b·ω·sin(ω·t). Rx·Vx = a2·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t); Ry·Vy = -b2·ω·cos(ω·t)·sin(ω·t). Этот результат предсказуем, так как длина векторов заданных в ИСО и угол между ними, не зависят от вращающейся системы отсчёта.
aτ = -ωs2·(r·v)·v/v2 = -ωs2·(a2 - b2)·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)·v/v2 = -(a2 - b2)·ω·sin(ω·t)·cos(ω·t)/(a2 - r2)·v. Модуль тангенциального ускорения равен: Разность потенциалов при переходе между ИСО и не ИСО равна ΔЕ = Ω2·R2/2. ... Угловая скорость вращения радиус-вектора равна: ωr = k·(a·b·ω/R2 - Ω). ... Рассматривая уравнение a = -ω2·r - 2·[Ω×v] + Ω2·r (3) в более общем смысле, надо иметь ввиду, что оно справедливо только в двух случаях: 1. При наличии у тела идеальной связи с не ИСО, т. е. тело, перемещается на вращающейся платформе с наблюдателем находящимся в центре оси вращения, при угловой скорости Ω = const. 2. При относительном кинематическом вращении, когда наблюдатель находится в центре не ИСО с угловой скоростью Ω = const и наблюдает за движением тела в ИСО. Однако, существует ещё третий вариант относительного движения на который как правило не обращают внимания. Ускорение наблюдаемое в ИСО равно Если считать уравнение (3) только следствием кинематики относительного движения, то можно смело говорить о математической формальности силы инерции W, полученной переводом уравнения (3) в систему отсчёта с угловой скоростью радиус-вектора ωr. Однако уравнение (3) можно получить и из энергетических соображений, через уравнение Лагранжа. Энергия это уже не математический формализм, а реальная величина, с которой связаны все силовые процессы в природе. Поэтому просто отрицать реальность W без проверки опытом в этом случае уже не разумно. ... Рассмотрим задачу на движение тела по гироскопической спирали. Например, тело движется к центру вращения с постоянной радиальной скоростью v. Задана начальная скорость вращения и радиус. На практике такое движение возможно только при полной диссипации энергии, связанной с работой центробежной силы (сопротивление среды, момент силы со стороны оси или что-то другое). Движение будет протекать по уравнению |
||