Апсолутно тврдо тело

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Позиција на апсолутното тврдо тело се утврдува со позицијата на центарот на масата и степенот на закривеност (со најмалку шест параметри).[1]

Во физиката, апсолутно тврдо тело е тврдо тело кај кое деформацијата е нула или толку мала, што може да се занемари. Растојанието меѓу кои било две дадени точки на апсолутното тврдо тело останува константно во кое било време, без оглед на надворешни сили. Апсолутното тврдо тело обично се смета како континуирана дистрибуција на маса.

Во теоријата на специјална релативност, совршено апсолутно тврдо тело не постои; и може само да се претпоставува дека предметите се апсолутно тврди, ако тие не се движат приближно со брзината на светлината. Во квантната механика, апсолутно тврдо тело обично се смета за збир на точкести маси. На пример, во квантната механика молекулите (се состојат од точкести маси: електрони и јадра) се гледаат како апсолутни тврди тела (види класификација на молекули, како апсолутно тврди ротори).

Кинематика[уреди | уреди извор]

Линеарна и аголна позиција[уреди | уреди извор]

Позицијата на апсолутно тврдо тело е позицијата на сите честички од кои е составено. За да се поедностави описот на оваа позиција, испитуваме дали телото е апсолутно тврдо, имено дека сите негови честички одржуваат иста дистанца едни во однос со други. Ако телото е апсолутно тврдо, доволно е да се опише позицијата од најмалку три неколинеарни честички. Ова овозможува да се реконструира позицијата од сите други честички, под услов нивната временски неменлива позиција во однос на три избрани честички да е позната. Сепак се користи, различен и математички поубедлив, но еднаков пристап. Позицијата на апсолутното тврдо тело е претставена од страна на:

  1. линеарната позиција или положбата на телото, односно на позицијата на една од честичките на телото, специјално избрана како референтна точка (обично соодветствува со центарот на масата или центарот на геометрија на телото), заедно со
  2. аголната позиција (исто така позната како ориентација, или степен на закривеност) на телото.

Според тоа, позицијата на апсолутното тврдо тело има две компоненти: линеарна и аголна, соодветно.[2] Истото важи и за други кинематички и кинетички количини за опишување на движење на апсолутно тврдо тело, како што се линеарни и аголна брзина, забрзување, импулсот, моментот на импулсот и кинетичка енергија.[3]

Линеарната позиција може да биде претставена со вектор со својата опашка на произволно референтна точка во просторот (центарот на избран координатен систем) и неговиот врв во некоја произволна точка од интерес на апсолутно тврдо тело, која обично се совпаѓа со неговиот центар на маса или центар на геометрија. Оваа референтна точка може да се дефинира како центар на координатен систем поставен на телото.

Постојат неколку начини бројно да се опише ориентацијата на апсолутно тврдо тело, вклучувајќи сет од три Ојлерови агли, кватерниони, или насока на косинусна матрица (исто така позната како ротациона матрица). Сите овие методи, всушност,ја дефинираат ориентацијата на основниот сет (или координатен систем) кој има фиксна ориентација во однос на телото (т.е. ротира заедно со тело), во однос на друг основен сет (или координатен систем), од кои се набљудува движењето на апсолутно тврдо тело. На пример, еден основен сет со фиксна ориентација во однос на авион може да се дефинира како збир на три ортогонални единични вектори b1, b2, b3, така што b1 е паралелен со акордната линија на крилото и е насочен напред, b2 е нормален на рамнината на симетричност и насочен надесно, и b3 е даден од страна на вкрстен производ .

Во принцип, кога апсолутно тврдо тело се движи, неговата позиција и ориентација варираат со време. Во кинематичка смисла, овие промени се нарекуваат транслација и ротација, соодветно. Всушност, положбата на апсолутно тврдо тело може да се гледа како хипотетичка транслација и ротација (рототранслација) на телото почнувајќи од хипотетичка референтна позиција (не мора да се совпаѓа со позиција во која може да се најде телото за време на своето движење).

Линеарна и аголна брзина[уреди | уреди извор]

Брзина (исто така наречена линеарна брзина) и аголна брзина се мерат во однос на појдовен систем.

Линеарната брзина на апсолутно тврдо тело е вектор, еднаков на временската стапка на промена на линеарната позиција. На тој начин, тоа е брзината на референтна точка прицврстена за телото. За време на транслаторно движење (движење без ротација), сите точки на апсолутното тврдо телото се движат со иста брзина. Сепак, кога движењето вклучува ротација, моментната брзина од кои било две точки на телото генерално нема да биде иста. Две точки на ротирачко тело ќе имаат иста моментна брзина само ако се случи да лежат на некоја оска паралелна со моментната оска на ротација.

Аголна брзина е вектор кој ја опишува аголната брзина за која ориентацијата на апсолутното тврдо телото се менува и моментната оска околу која ротира (постоењето на оваа моментна оска е загарантирана со Ојлеровата теорема за ротација). Сите точки на апсолутно тврдо тело имаат иста аголна брзина во сите времиња. За време на чисто ротационо движење, сите точки на телото ја менуваат позицијата, освен оние кои лежат на моментната оска на ротација. Односот помеѓу ориентација и аголна брзина не е директно аналоген на односот помеѓу позицијата и брзината. Аголната брзина не е временска стапка на промена на ориентација, бидејќи не постои таков концепт како ориентационен вектор кој може да се диференцира за да се добие аголна брзина.

Кинематички равенки[уреди | уреди извор]

Адициона теорема за аголна брзина[уреди | уреди извор]

Аголната брзина на апсолутно тврдо тело B во појдовниот систем N е еднаква на збирот на аголната брзина на апсолутно тврдо тело D во N и аголната брзина на B во однос на D:[4]

Во овој случај, апсолутните тврди тела и референтните рамки не се разликуваат и се целосно менливи помеѓу себе.

Адициона теорема за позиција[уреди | уреди извор]

За секој сет на три точки P, Q, и R, позицијата на векторот од P до R е збир на позицијата на векторот од P до Q и на позицијата на векторот од Q до R:

Математичка дефиниција на брзина[уреди | уреди извор]

Брзината на точката P во појдовниот систем N е дефинирана како временски извод во N од позицијата на векторот од О до P:[5]

каде О е која било произволна точка која е фиксна во појдовниот систем на N, и N на лево од d/dt операторот покажува дека изводот е земен во појдовниот систем N. Резултат е независен од изборот на О се додека О е фиксна во N.

Математичка дефиниција на забрзување[уреди | уреди извор]

Забрзувањето на точка P во појдовниот систем N е дефинирано како временски извод во N на сопствената брзина:[5]

Брзина на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело[уреди | уреди извор]

За две точки P и Q кои се фиксирани на апсолутно тврдо тело B, каде B има аголна брзина во појдовниот систем N, брзината на Q во N може да се изразува како функција од брзината на P во N:[6]

Забрзување на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело[уреди | уреди извор]

Со диференцијација на равенката за Брзина на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело во N во однос на времето, забрзувањето во однос на појдовниот систем N во точка Q фиксна на апсолутно тврдо тело B може да се изрази како

каде е аголно забрзување на B во појдовниот систем N.[6]

Аголна брзина и забрзување на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело[уреди | уреди извор]

Како што споменавме погоре, за сите точки на апсолутното тврдо тело B имаат иста аголна брзина во фиксниот појдовен систем N, и на тој начин исто аголно забрзување

Брзина на една движечка точка на апсолутно тврдо тело[уреди | уреди извор]

Ако точката R се движи во апсолутно тврдо тело B, а B се движи во појдовниот систем N, тогаш брзината на R во N е

каде Q е утврдена во B која  моментално се совпаѓа со Р во моментот од интерес.[7] Овој однос често се комбинира со односот на Брзината на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело.

Забрзување на една движечка точка на апсолутно тврдо тело[уреди | уреди извор]

Забрзувањето во појдовниот систем N на точката R која се движи во телото B додека B се движи во појдовниот систем N е дадена од

каде Q е утврдена точка во B, кои моментално се совпаѓа со R во моментот од интерес.[7] Оваа равенка е често во комбинација со Забрзување на две фиксни точки на апсолутно тврдо тело.

Други количини[уреди | уреди извор]

Ако C е центар на локален координатен систем L, прикачен на телото,

  • просторното или завртувачко забрзување на апсолутно тврди тела е дефинирано како просторно забрзување на C (што е спротивно на материјалното забрзување погоре);

каде

  • претставува позицијата на точка/честички во однос на референтната точка на телото во однос на локалниот координатен систем L (цврстината на телото значи дека тоа не зависи од времето)
  • е ориентациската матрица, oртогонална матрица со детерминанта 1, која ја претставува ориентацијата (аголната позиција) на локален координатен систем L, во однос на произволната референтна ориентација на друг координатен систем G. Мисли на оваа матрица како три ортогонални единечни вектори, по еден во секоја колона, кои ја дефинираат ориентацијата на оските на L во однос на G.
  • претставува аголна брзина на апсолутно тврдо тело
  • претставува вкупната брзина на точка/честичка
  • претставува вкупното забрзување на точка/честичка
  • претставува аголното забрзување на апсолутното тврдо тело
  • претставува просторното забрзување на точка/честичка
  • претставува просторно забрзување на апсолутното тврдо тело (т.е. просторно забрзување на центарот на L).

Во 2D, аголната брзина е скалар, и матрицата A(t) едноставно ја претставува ротацијата во xy-рамнината од агол кој е интеграл на аголната брзина со текот на времето.

Возила, луѓе кои пешачат, итн., обично ротираат според промени во насока на брзината: тие се движат напред во однос на сопствената ориентација. Потоа, ако телото следи затворена орбита во рамнина, аголната брзина интегрирана над временски интервал во кој орбитата е завршена еднаш, е цел број помножен со 360°. Овој цел број е ликвидациски број во однос на центарот на брзината. Спореди го износот на ротација поврзан со темињата на полигон.

Кинетика[уреди | уреди извор]

Која било точка која е строго поврзана со телото може да се користи како референтна точка (центар на координатен систем L) за да се опише линеарно движење на телото (линеарната позиција, векторите на брзина и забрзување зависат од изборот).

Сепак, во зависност од апликацијата, лесен избор можат да бидат:

Кога центарот на маса се користи како референтна точка:

  • (Линеарниот) импулс е независен од ротационото движење. Во секое време, тоа е еднаков на вкупната маса на апсолутното тврдо тело помножено со транслаторната брзина.
  • Момент на импулсот во однос на центарот на масата е иста како и без транслација: во секое време е еднаков на тензор инерција помножено со аголната брзина. Кога аголната брзина е изразена во однос на координатен систем кој се совпаѓа со главните оски на телото, секоја компонента на моментот на импулсот е производ на моментот на инерција (главна вредност на инерцијалниот тензор) помножен со соодветната компонента на аголната брзина; вртежниот момент е тензор инерција помножен со аголното забрзување.
  • Можни движења во отсуство на надворешни сили се транслација со постојана брзина, стабилна ротација околу фиксна главна оска, а исто така и слободен вртежен момент на прецесија.
  • Нето надворешната сила на апсолутно тврдо тело секогаш е еднаква на вкупната маса помножено со транслаторното забрзување (т.е. вториот Њутнов закон важи за транслаторно движење, дури и кога нето надворешниот вртежен момент не е нула, и/или телото ротира).
  • Вкупната кинетичка енергија е едноставно збир на транслаторната и ротациона енергија.

Геометрија[уреди | уреди извор]

Две апсолутно тврди тела се различни (не копии) ако не постои соодветна ротација од едно до друго. Апсолутно тврдо тело се нарекува хирал ако неговата слика е различена во таа смисла, т.е., ако или нема симетрија или неговата симетрична група содржи само правилни ротации. Во спротивен случај телото се нарекува ахирал: сликата е копија, не различно тело. Таков објект може да има симетрична рамнина, но не секогаш: може да има и рамнина на рефлексија во однос на кој сликата на телото е ротирана верзија. Последното се однесува за [[S2n]], за кој во случај n = 1 е инверзна симетрија.

За (апсолутно тврд) правоаголен транспарентен лист, инверзна симетрија одговара со од една страна слика без ротациона симетрија и од друга страна слика таква што тоа што сјае низ е сликата на горната страна, свртена наопаку. Може да се разликуваат два случаи:

  • површината на листот со сликата да не е симетрична - во овој случај двете страни се различни, но сликата на објектот е иста, по ротација од 180° околу оската нормално на пресликаната рамнина.
  • површината на листот со сликата има оска на симетрија - во овој случај двете страни се исти, и сликата на објектот исто така е иста, повторно по ротација од 180° околу оската нормална на пресликаната рамнина.

Лист со слика која поминува низ е ахирал. Разликуваме повторно два случаи:

  • површината на листот со сликата нема оска на симетрија - двете страни се различни
  • површината на листот со сликата има оска на симетрија - двете страни се исти

Конфигурациски простор[уреди | уреди извор]

Конфигурацискиот простор на апсолутно тврди тела со една фиксна точка (т.е., тело кое нема транслаторно движење) е даден со основниот манифолд на ротационата група SO(3). Конфигурацискиот простор на нефиксирано (без транслаторно движење) апсолутно тврдо тело е [[E+(3)]], подгрупа на директна изометрија на Eвклидовата група во три димензии (комбинации на транслации и ротации).

Поврзано[уреди | уреди извор]

Белешки[уреди | уреди извор]

  1. Lorenzo Sciavicco, Bruno Siciliano (2000). „§2.4.2 Roll-pitch-yaw angles“. Modelling and control of robot manipulators (2nd издание). Springer. стр. 32. ISBN 1-85233-221-2. https://books.google.com/books?id=v9PLbcYd9aUC&pg=PA32. 
  2. Воглавно, позицијата на точка или честичка е позната, во физиката, како линеарна позиција, како спротивност на аголната позиција на линија или линеарен сегмент (на пр., во кружно движење, „радиусот“ се поврзува со ротирачка точка со центар на ротација) или основен сет или координатен систем.
  3. Во кинематиката, линеарно значи „по права или закривена линија“ (патеката на честичката во просторот). Во математиката, пак, линеарно има поинакво значење. Во двата контекста, зборот „линеарно“ е поврзан со зборот „линија“. Во математиката, линија се дефинира како права крива. За тие што ја прифаќаат оваа дефиниција, кривата може да биде права и закривени линии не треба да постојат. Во кинематиката, терминот линија се користи како синоним на терминот траекторија, или патека (имено, го има истото значење како даденото, во математиката, за зборот крива). Накратко, и правите и закривените линии постојат. Во кинематиката и динамиката, следните зборови се однесуваат на истите значења на терминот „линија“:
    • „линеарно“ (= долж права или крива),
    • „праволиниско“ (= долж права, од латински rectus = права, и linere = проширува),
    • „криволинеарен“ (= долж закривена линија, од латински curvus = крива и linere = проширува).
    Во топологијата и метеорологијата, терминот „линија“ го има истото значење; имено, контурната линија е крива.
  4. Kane, Thomas; Levinson, David (1996). „2-4 Auxiliary Reference Frames“. Dynamics Online. Sunnyvale, California: OnLine Dynamics, Inc.. 
  5. 5,0 5,1 Kane, Thomas; Levinson, David (1996). „2-6 Velocity and Acceleration“. Dynamics Online. Sunnyvale, California: OnLine Dynamics, Inc.. 
  6. 6,0 6,1 Kane, Thomas; Levinson, David (1996). „2-7 Two Points Fixed on a Rigid Body“. Dynamics Online. Sunnyvale, California: OnLine Dynamics, Inc.. 
  7. 7,0 7,1 Kane, Thomas; Levinson, David (1996). „2-8 One Point Moving on a Rigid Body“. Dynamics Online. Sunnyvale, California: OnLine Dynamics, Inc.. 

Наводи[уреди | уреди извор]

  • Roy Featherstone (1987). Robot Dynamics Algorithms. Springer. ISBN 0-89838-230-0.  This reference effectively combines screw theory with rigid body dynamics for robotic applications. The author also chooses to use spatial accelerations extensively in place of material accelerations as they simplify the equations and allow for compact notation.
  • JPL DARTS page has a section on spatial operator algebra (link: [1]) as well as an extensive list of references (link: [2]).

Надворешни врски[уреди | уреди извор]