Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Микишанина Е. А. Управление качением динамически симметричного шара по наклонной вращающейся плоскости // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2024. Т. 24, вып. 3. С. 402-414. DOI: 10.18500/1816-9791-2024-24-3-402-414, EDN: HAUNCU

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.08.2024
Полный текст:
(downloads: 75)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
531.38
EDN: 
HAUNCU

Управление качением динамически симметричного шара по наклонной вращающейся плоскости

Авторы: 
Микишанина Евгения Арифжановна, Математический институт имени В. А. Стеклова Российской академии наук
Аннотация: 

В работе исследуется динамика качения динамически симметричного тяжелого шара (или тяжелой сферической оболочки) по наклонной шероховатой плоскости (платформе), вращающейся с постоянной или периодической скоростью вокруг перпендикулярной к плоскости оси, проходящей через некоторую фиксированную точку этой плоскости. В точке контакта шара с опорной плоскостью наложены кинематические (неголономные и голономные) ограничения. Построены уравнения движения шара и доказана ограниченность квадрата вектора скорости геометрического центра шара в случае постоянной скорости вращения плоскости при любом угле наклона и в случае периодической скорости вращения плоскости, расположенной горизонтально. Причем в случае постоянной скорости вращения плоскости решения найдены аналитически. На основе численного интегрирования показано, что для периодической скорости вращения плоскости и угле наклона, отличном от нуля, квадрат вектора скорости геометрического центра шара неограниченно возрастает. Предложены два управления углом наклона вращающейся плоскости пропорционально проекциям вектора скорости геометрического центра шара на координатные оси, лежащие в опорной плоскости. Для случая постоянной скорости вращения плоскости проведено качественное исследование уравнений движения, аналитически найдены параметры управления, при которых квадрат скорости геометрического центра шара будет ограничен и при которых будет неограниченно возрастать. Приведены результаты численного интегрирования для случая периодической скорости вращения плоскости  и показана эффективность этого управления в контексте достижения ограниченности квадрата скорости геометрического центра шара. Полученные результаты проиллюстрированы, построены траектории точки контакта и графики искомых механических параметров.

Благодарности: 
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-71-30012).
Список источников: 
  1. Чаплыгин С. А. О катании шара по горизонтальной плоскости // Математический сборник. 1903. Т. 24, № 1. C. 139–168.
  2. Мощук Н. К. О движении шара Чаплыгина на горизонтальной плоскости // Прикладная математика и механика. 1983. Т. 47, вып. 6. C. 916–921.
  3. Kilin A. A. The dynamics of Chaplygin ball: The qualitative and computer analysis // Regular and Chaotic Dynamics. 2002. Vol. 6, iss. 3. P. 291–306. https://doi.org/10.1070/RD2001v006n03ABEH000178, EDN: LGXBPX
  4. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Проблема дрейфа и возвращаемости при качении шара Чаплыгина // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 4. С. 721–754. EDN: SAHBBR
  5. Mikishanina E. A. Dynamics of the Chaplygin sphere with additional constraint // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2023. Vol. 117. Art. 106920. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2022.106920
  6. Borisov A. V., Mikishanina E. A. Dynamics of the Chaplygin ball with variable parameters // Russian Journal of Nonlinear Dynamics. 2020. Vol. 16, iss. 3. P. 453–462. https://doi.org/10.20537/nd200304, EDN: DTQQDK
  7. Борисов А. В., Мамаев И. С., Бизяев И. А. Иерархия динамики при качении твердого тела без проскальзывания и верчения по плоскости и сфере // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 2. С. 141–202. EDN: SAHAOF
  8. Борисов А. В., Мамаев И. С. О движении шара Чаплыгина по наклонной плоскости // Доклады Академии наук. 2006. Т. 406, № 5. С. 620–623. EDN: HSYLNV
  9. Харламова Е. И. Качение шара по наклонной плоскости // Прикладная математика и механика. 1958. Т. 22, вып. 4. С. 504–509.
  10. Bizyaev I. A., Borisov A. V., Mamaev I. S. Dynamics of the Chaplygin ball on a rotating plane // Russian Journal of Mathematical Physics. 2018. Vol. 25. P. 423–433. https://doi.org/10.1134/S1061920818040027, EDN: KKREPJ
  11. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов // Нелинейная динамика. 2012. Т. 8, № 2. С. 289–307. EDN: OYPUBZ
  12. Bolotin S. The problem of optimal control of a Chaplygin ball by internal rotors // Regular and Chaotic Dynamics. 2012. Vol. 17, iss. 6. P. 559–570. https://doi.org/10.1134/S156035471206007X, EDN: RGBYKL
  13. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Динамические системы с неинтегрируемыми связями: вакономная механика, субриманова геометрия и неголономная механика // Успехи математических наук. 2017. Т. 72, вып. 5 (437). С. 3–62. https://doi.org/10.4213/rm9783, EDN: ZRSFRR
  14. Борисов А. В., Мамаев И. С., Килин А. А., Бизяев И. А. Избранные задачи неголономной механики. Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2016. 883 с. EDN: YSHXAH
Поступила в редакцию: 
18.05.2023
Принята к публикации: 
18.07.2023
Опубликована: 
30.08.2024