Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

74

Dynamics and mechanics

 

 

3.5Rigid body dynamics

Moment of inertia tensor

Moment of

 

Iij = (r2δij xixj ) dm

 

 

 

(3.136)

r

r2 = x2 + y2 + z2

inertia tensora

 

 

 

 

δij

Kronecker delta

I = %

(y2 + z2) dm

 

xy dm

 

xz dm

 

 

I

moment of inertia

 

 

 

 

tensor

xy dm

%

(x2%+ z2) dm

 

% yz dm

 

dm

mass element

 

% xz dm

 

 

yz dm

 

(x2%+ y2) dm

 

 

xi

position vector of

 

 

 

 

 

%

 

%

 

 

 

dm

%

 

 

 

 

 

 

 

(3.137)

Iij

components of I

 

 

I12 = I12 ma1a2

 

 

 

 

(3.138)

Iij

tensor with respect

Parallel axis

 

 

 

 

 

 

to centre of mass

 

I11 = I11 + m(a22 + a32)

 

 

 

(3.139)

ai,a

position vector of

theorem

 

Iij = Iij + m(|a|2δij aiaj )

 

 

 

(3.140)

 

centre of mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

mass of body

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Angular

 

J = Iω

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.141)

J

angular momentum

momentum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

angular velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotational

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

T

kinetic energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kinetic energy

 

T = 2 ω · J = 2 Iij ωiωj

 

 

 

(3.142)

 

 

 

 

 

 

aIii are the moments of inertia of the body. Iij

(i = j) are its products of inertia. The integrals are over the body

volume.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Principal axes

Principal

I =

I1

0

0

 

 

 

 

I

principal moment of

 

 

 

 

inertia tensor

moment of

0

I2

0

 

 

(3.143)

 

 

 

Ii

principal moments of

inertia tensor

 

0

0

I3

 

 

 

 

 

inertia

 

 

 

 

 

 

 

J

angular momentum

Angular

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = (I1ω1,I2ω2,I3ω3)

 

 

(3.144)

ωi

components of ω

momentum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

along principal axes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotational

T =

1

(I1ω12 + I2ω22 + I3ω32)

 

 

(3.145)

T

kinetic energy

kinetic energy

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Moment of

T = T (ω123)

 

 

(3.146)

 

 

 

inertia

Ji =

∂T

(J is ellipsoid surface)

(3.147)

 

 

I3

 

 

ellipsoida

 

 

 

 

 

 

 

∂ωi

 

 

 

Perpendicular

 

 

 

 

I3

generally

 

 

 

I1

 

I2

I1 + I2

 

 

(3.148)

 

 

 

axis theorem

 

to 3-axis

 

 

 

 

 

 

"= I3

flat lamina

 

 

 

lamina

 

I1 = I2 = I3

asymmetric top

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Symmetries

I1 = I2 = I3

symmetric top

 

(3.149)

 

 

 

 

I1 = I2 = I3

spherical top

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThe ellipsoid is defined by the surface of constant T .

3.5 Rigid body dynamics

75

 

 

Moments of inertiaa

 

I1 = I2 =

ml2

 

 

 

 

(3.150)

 

 

 

 

l

 

Thin rod, length l

12

 

 

 

 

 

 

I3

 

 

I2

 

I3 0

 

 

 

 

 

(3.151)

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solid sphere, radius r

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

I1 = I2 = I3 = 5 mr

 

 

 

(3.152)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

I3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical shell, radius r

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

I2

3

I1 = I2 = I3 = 3 mr

 

 

(3.153)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solid cylinder, radius r,

I1 = I2 =

4 r2 + l3

 

(3.154)

 

r

 

I1

I3

length l

I3 = 1 mr2

 

 

 

 

(3.155)

 

 

 

 

I2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1 = m(b2 + c2)/12

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

(3.156)

 

 

 

 

 

 

Solid cuboid, sides a,b,c

2

2

)/12

 

 

(3.157)

 

 

 

 

 

I3

I2 = m(c

+ a

 

 

a

 

I2

 

 

 

I3 = m(a2 + b2)/12

 

 

(3.158)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solid circular cone, base

I1 = I2 =

20 m r2 +

4

(3.159)

 

 

 

I3

h

radius r, height hb

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

I3 = 10 mr2

 

 

 

 

(3.160)

 

 

 

 

I1

r

Solid ellipsoid, semi-axes

I1 = m(b2 + c2)/5

 

 

 

(3.161)

 

 

 

 

I3

I2 = m(c2 + a2)/5

 

 

 

(3.162)

 

 

a

 

c

b I2

a,b,c

I3 = m(a2 + b2)/5

 

 

 

(3.163)

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1 = mb2/4

 

 

 

 

(3.164)

 

 

 

 

I2

I1

Elliptical lamina,

 

 

 

 

 

 

 

b

I2 = ma2/4

 

 

 

 

(3.165)

 

 

 

 

I3

a

semi-axes a,b

I3 = m(a2 + b2)/4

 

 

 

(3.166)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

Disk, radius r

I1 = I2 = mr2/4

 

 

 

(3.167)

 

 

r

 

I3

I1

I3 = mr2/2

 

 

 

 

(3.168)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I3 = m (a2 + b2 + c2)

 

 

 

 

 

 

a

 

Triangular platec

 

(3.169)

 

b

I3

c

 

36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aWith respect to principal axes for bodies of mass m and uniform density. The radius of gyration is defined as k = (I/m)1/2.

bOrigin of axes is at the centre of mass (h/4 above the base).

cAround an axis through the centre of mass and perpendicular to the plane of the plate.

76 Dynamics and mechanics

Centres of mass

Solid hemisphere, radius r

d = 3r/8

from sphere centre

(3.170)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hemispherical shell, radius r

d = r/2

 

from sphere centre

(3.171)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sector of disk, radius r, angle

2

 

sinθ

 

 

2θ

d =

 

 

 

r

 

 

 

 

 

from disk centre

(3.172)

3

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Arc of circle, radius r, angle

 

 

sinθ

 

from circle centre

(3.173)

2θ

d = r

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Arbitrary triangular lamina,

d = h/3

 

perpendicular from base

(3.174)

height ha

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solid cone or pyramid, height

d = h/4

 

perpendicular from base

(3.175)

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical cap, height h,

solid:

 

d =

3

(2r h)2

from sphere centre

(3.176)

 

 

sphere radius r

shell:

 

 

 

 

4 3r h

 

(3.177)

 

 

d = r h/2 from sphere centre

Semi-elliptical lamina,

d =

4h

 

from base

 

(3.178)

height h

 

 

 

3π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ah is the perpendicular distance between the base and apex of the triangle.

Pendulums

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

period

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

gravitational acceleration

Simple

P = 2π

l

 

 

 

θ02

+ · · ·

 

1 +

(3.179)

l

length

pendulum

 

 

 

 

 

 

g

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ0

maximum angular

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

displacement

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conical

P = 2π

l cosα

1/2

 

 

 

 

 

 

pendulum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.180)

α

cone half-angle

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

Torsional

 

 

lI0

 

1/2

 

 

 

 

 

 

I0

moment of inertia of bob

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

torsional rigidity of wire

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

penduluma

P = 2π C

 

 

 

 

 

 

 

(3.181)

 

 

 

 

 

 

 

 

(see page 81)

 

P 2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

distance of rotation axis

 

 

1

 

 

(ma2 + I1 cos2 γ1

 

 

from centre of mass

 

 

 

m mass of body

Compound

mga

 

pendulumb

+ I2 cos2 γ2 + I3 cos2 γ3)

1/2

 

Ii

principal moments of

 

 

(3.182)

 

inertia

 

 

γi

angles between rotation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

axis and principal axes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Equal

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

double

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P 2π (2 ±

2)g

 

 

(3.183)

 

 

pendulumc

 

 

 

 

l θ0

m

l α

m

l I0

I1

a

I3

 

 

I2

l

m

l m

aAssuming the bob is supported parallel to a principal rotation axis. bI.e., an arbitrary triaxial rigid body.

cFor very small oscillations (two eigenmodes).

3.5 Rigid body dynamics

77

 

 

Tops and gyroscopes

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

herpolhode

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

invariable

cone

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

polhode

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

plane

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

body

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

moment

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cone

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of inertia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

support point

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

ellipsoid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

mg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

prolate symmetric top

 

 

 

gyroscope

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G1 = I1ω˙1 + (I3 I2)ω2ω3

(3.184)

G

i

 

rotation)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

external couple (= 0 for free

 

 

Euler’s equationsa

G2 = I2ω˙2 + (I1 I3)ω3ω1

(3.185)

Ii

 

 

principal moments of inertia

 

 

 

 

G3 = I3ω˙3 + (I2 I1)ω1ω2

(3.186)

ωi

 

angular velocity of rotation

 

 

Free symmetric

b =

 

I1 I3

ω3

 

 

 

 

(3.187)

b

 

body frequency

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

space frequency

 

 

topb (I3 < I2 = I1)

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.188)

J

 

 

total angular momentum

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Free asymmetric

 

 

 

(I1

I3)(I2

I3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

top

c

b2 =

 

 

I1I2

 

 

ω32

(3.189)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

precession angular velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 I

cosθ

pJ3 + mga = 0

(3.190)

θ

 

 

angle from vertical

 

 

Steady gyroscopic

p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

(slow)

 

J3

 

angular momentum around

 

 

 

 

 

 

 

 

Mga/J3

 

 

 

 

 

 

 

symmetry axis

 

 

precession

p "J3/(I1 cosθ)

 

(fast)

(3.191)

m

 

 

mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

gravitational acceleration

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

distance of centre of mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gyroscopic

J32

4I1mgacosθ

 

 

 

(3.192)

 

 

 

from support point

 

 

stability

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

moment of inertia about

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

support point

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gyroscopic limit

J32 I1mga

 

 

 

 

 

(3.193)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(“sleeping top”)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nutation rate

n = J3/I1

 

 

 

 

 

 

(3.194)

n

 

nutation angular velocity

 

 

Gyroscope

p =

mga

(1 − cosΩnt)

(3.195)

t

 

 

time

 

 

 

released from rest

 

J3

 

 

 

 

 

aComponents are with respect to the principal axes, rotating with the body.

bThe body frequency is the angular velocity (with respect to principal axes) of ω around the 3-axis. The space frequency is the angular velocity of the 3-axis around J , i.e., the angular velocity at which the body cone moves around the space cone.

cJ close to 3-axis. If Ω2b < 0, the body tumbles.

78 Dynamics and mechanics

3.6 Oscillating systems Free oscillations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

oscillating variable

Di erential

 

d2x

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

t

time

equation

 

 

 

+ 2γ

 

 

+ ω02x = 0

(3.196)

γ

damping factor (per unit

 

dt2

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

mass)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

undamped angular frequency

Underdamped

x = Aeγt cos(ωt+ φ)

(3.197)

A

amplitude constant

solution (γ < ω0)

where

ω = (ω02 γ2)1/2

(3.198)

φ

phase constant

ω

angular eigenfrequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Critically damped

x = eγt(A1 + A2t)

 

(3.199)

Ai

amplitude constants

solution (γ = ω0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Overdamped

x = eγt(A1eqt + A2eqt)

(3.200)

 

 

solution (γ > ω0)

where

q = (γ2 ω02)1/2

(3.201)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Logarithmic

∆ = ln

 

an

=

 

2πγ

 

(3.202)

logarithmic decrement

decrementa

an+1

 

ω

 

an

nth displacement maximum

Quality factor

Q =

 

ω0

 

π

 

if Q 1

(3.203)

Q

quality factor

 

2γ

aThe decrement is usually the ratio of successive displacement maxima but is sometimes taken as the ratio of successive displacement extrema, reducing ∆ by a factor of 2. Logarithms are sometimes taken to base 10, introducing a further factor of log10 e.

Forced oscillations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

oscillating variable

Di erential

 

d2x

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

t

time

equation

 

 

 

+ 2γ

 

 

 

+ ω02x = F0eiωf t

(3.204)

 

 

 

dt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

γ

damping factor (per unit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mass)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = Aei(ωf tφ),

 

where

 

(3.205)

ω0

undamped angular frequency

Steady-

A = F0[(ω2

ω2)2 + (2γωf )2]−1/2

(3.206)

F0

force amplitude (per unit

 

 

 

 

 

 

0

 

f

 

 

 

mass)

state

 

 

 

 

 

F0/(2ω0)

(γ ωf )

(3.207)

ωf

forcing angular frequency

solutiona

[(ω0

ωf )2 + γ2]1/2

A

amplitude

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tanφ =

 

 

2γωf

 

 

 

(3.208)

φ

phase lag of response behind

 

ω02 ωf2

 

 

 

driving force

Amplitude

2

2

 

 

2

 

 

 

 

ωar

amplitude resonant forcing

resonanceb

ωar = ω0

2γ

 

 

 

 

(3.209)

 

angular frequency

Velocity

ωvr = ω0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.210)

ωvr

velocity resonant forcing

resonancec

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

angular frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quality

Q =

 

ω0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.211)

Q

quality factor

factor

 

2γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Impedance

Z = 2γ + i

ωf2 ω02

 

(3.212)

Z

impedance (per unit mass)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωf

 

 

 

 

 

 

aExcluding the free oscillation terms.

bForcing frequency for maximum displacement.

cForcing frequency for maximum velocity. Note φ = π/2 at this frequency.