《图解刚体力学——欧拉运动学方程》.doc

本 科 生 毕 业 论 文 论文题目：图解刚体力学欧拉运动学方程学生姓名： 罗加宽 学 号： 2008021152 专业名称： 物理学 论文提交日期： 2012年05月17日 申请学位级别： 理学学士 论文评审等级： 指导教师姓名： 陈洛恩 职 称： 教授 工 作 单 位： 玉溪师范学院 学位授予单位： 玉溪师范学院 玉溪师范学院理学院物理系 2012年05月图解刚体力学欧拉运动学方程罗加宽（玉溪师范学院理学院物理系 08级物理1班 云南 玉溪 653100）指导教师 ：陈洛恩、杨春艳摘要：本文阐述了描述刚体定点转动的欧拉角及欧拉运动学方程的图解，以期让复杂的问题转化得简单清晰而易于学习者的理解，抽象的概念变得直观具体而易于学习者的掌握；并能在一定程度上对提高学习者的空间思维能力、引导和培养学习者的创新思维能力有一定的帮助。关键字：图解；刚体；欧拉角；欧拉运动学方程1. 引言 理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学；依照牛顿的说法，理论力学“是关于力产生的运动和产生任何运动的力的理论，是精确的论述和证明” 1。理论力学作为使用数学方法的自然知识的一部分，不仅研究实际物体，而且研究其模型质点、质点系、刚体和连续介质。从研究次序来看，通常先研究描述机械运动现象的运动学，然后再进一步研究机械运动应当遵循哪些规律的动力学。至于研究平衡问题的静力学，对理科来讲可以作为动力学的一部分来处理，但在工程技术上，静力学却是十分的重要，因此，常把它和动力学分开，自成一个系统2。本文图解的内容为刚体力学运动学问题之一的刚体的绕定点的转动。“图解”的方法,较早见于上海科学技术出版社1988年翻译出版的图解量子力学，原书名为The Picture Book of Quantum Mechanics，由Springer-Verlag出版；类似的书还有Springer-Verlag出版的Visual Quantum Mechanics。其特点是通过将理论物理与数值计算相结合实现可视化来讲解物理知识。国外对物理的可视化教学十分重视，早在1995-1996年间Wiley出版社出版了9本有关物理多媒体教学的丛书,是由大学高等物理软件联盟(The Consortium for Upper-Level Physics Software，CUPS)编写该丛书及其所用的教学软件3。如今，图解法已经广泛应用于力学、电磁学、模拟电子技术等方面，理论力学方面同样也有不少人已经采用了图解法。如赵宗杰使用3dsmax建立质点外弹道运动规律的虚拟模型和场景4；乐山师范学院王峰等利用Matlab分别对质点受力仅为位置、速度或时间的函数进行了图解，并说明了Matlab在理论力学中的应用5；阜阳师范学院孙美娟、韩修林利用Mathematica进行编程作出了落体的位移时间图像6。通过图解，使很多抽象繁难的物理问题在解析时达到空间立体直观，概念形成清晰，逻辑链路晓畅明朗，数式转换准确易见。 理论力学因理论性较强，与高等数学联系密切，一些概念的形成、公式的推导、逻辑推理等较抽象、繁难、复杂，往往使教授者感到教学很难达到预期的效果，学习者在学习过程中感觉不但学起来困难吃力，而且学习的效率很低，以致容易产生怕学、厌学的心理。基于上述分析，本文试图通过以图解的形式讲解描述刚体运动的三个欧拉角的获得及用其描述的刚体定点转动运动学方程的建立过程，来呈现欧拉运动学方程的图解形式。本文第二部分为对刚体的定点转动的表述；第三部分为以图解的形式呈现欧拉角；第四部分为欧拉运动学方程；第五部分为图解过程的缩影。2. 刚体的定点转动表述 刚体可以视为质点组，但却有着区别于一般质点组的特殊性：其内的所有质点的相对位置不论在何种情况下都保持不动，即任意两个质点之间的距离始终保持不变。通常在三维空间中，若一个质点组包含有N个质点，那么就需要3N个坐标变量才能确定整个质点组的位形。然而，因刚体具有上述特殊性，所以无论构成刚体质点组的质点数为多少，可以独立变化的坐标变量只有6个，即与其内包含有的质点数的多少无关。换句话说，也就是若我们把描述物体运动时独立变化的坐标变量的数目称为自由度，那么一般情况（没有任何约束）下刚体运动的自由度为6。若受到某些约束，自由度就将更少。当刚体运动时，若刚体内只有一点始终固定不动，整个刚体围绕该点转动，则称为刚体的定点转动。图1 定点转动的刚体譬如，陀螺（图1-a），安装在万向支架上的陀螺仪转子（图1-b），和锥形行星齿轮（图1-c）等。由于一点始终固定不动（即我们说刚体受到约束），所以6个可独立变化的坐标中有3个是给定不变了，因而此时刚体可以独立变化的坐标变量只剩下3个，亦即刚体定点转动的自由度为3。图1b中，陀螺仪中转子可以绕自身对称轴转动，轴又可随同内环一起绕轴转动，而轴又可随同外环一起绕固定轴转动。这样三个彼此独立的绕相交轴的转动使转子可以绕点转动到任何空间位置，而三轴交点始终固定不动。图1-a和图1-c中的陀螺、锥形行星齿轮的运动都可以做同样的理解。由此可知，定点转动的刚体在某瞬时的运动，可视为是绕通过定点的某一转动轴的转动7；但与定轴转动不同，这一转动轴是瞬时转动轴，简称瞬轴，它在空间的取向是随着时间的改变而改变的8。3. 欧拉角 由以上可知，为了确定定点转动刚体在某一时刻的位置，可选定点作为坐标原点，用两个独立变化的坐标变量来确定转动轴在空间的取向，再用另一个独立变化的坐标变量来确定整个刚体绕该轴线所转过的角度。通常这三个独立变化的坐标变量取为欧拉角较为方便，下面将阐明如何来定义选取三个独立变化的欧拉角。取两套右手正交坐标系，其坐标原点均选在固定点，一组是定坐标系，固定在空间不动；而另一组是动坐标系，固连于刚体本身,随着刚体一起转动(图2）。则刚体的空间位置可以由动坐标系相对于定坐标系的位置来确定9，如图3所示。图2.坐标系 设某瞬时，刚体处于图3所示的位置。动坐标平面与定坐标平面的交线，用表示，称为节线。节线与定轴的夹角称为进动角，动轴与定轴的夹角称为章动角，节线与动轴的夹角称为自转角，这三个角合称为欧拉角（欧勒角）。规定从轴、正端看来，由轴、按逆钟向量得的角度为正，反之为负10。从图2中可以看出：节线既在平面上也在平面上，所以它既垂直于轴也垂直于轴，是两轴所构成的平面的法线。因此，节线与定轴的夹角这一进动角可以用来确定平面的位置。当进动角和动轴与定轴的夹角这一章动角共同确定之后，轴连同平面的位置便确定。而动轴和在平面的位置则可用节线与动轴的夹角这一自转角来确定。这样，通过图3.欧拉角图4. 初始位置欧拉角（、）就能唯一确定动坐标系相对于定坐标系的位置，又因为动坐标系和刚体固连，所以也就确定了刚体的位置。进动角、章动角和自转角是彼此独立的，当刚体运动时，、一般都随着时间改变而改变，是时间的单值连续函数，可写为 ， （1-1） 这一组方程就是刚体定点运动的运动学方程11。假定在初瞬时动坐标系与定坐标系重合（图4），则可通过如下三次转动而达到图3的任意位置。31进动角令动坐标系（刚体与之一起）绕着轴沿逆时针方向（下同）转过一个图5.进动角图6.章动角角度。于是轴同轴分开，到达另一个位置（即位置）；轴同轴分开，到达另一个位置；但因是绕与轴重合的轴转动，所以轴同轴仍旧重合在一起，如图5所示。32章动角在上面进动角的基础上，令动坐标系绕着（即)转过一个角度。于是轴同轴分开，到达另一个位置；轴再转动到另一个位置，如图6所示。这时轴与轴的夹角是，动坐标系与定坐标系的夹角亦是。33自转角在图6的基础上，再令动坐标系绕着自身z轴转过一个角度。于是同（原来位置）分开，再转动到另一位置。这时，刚体便转动到我们所需要的位置，如图3中的位置。 若要得到刚体可能具有的其他各种位形，只需要在下列区间内改变、的数值： ， 欧拉角的这种取法并不是唯一的，在陀螺仪实用理论中，可根据具体结构和装置情况，选取不同的欧拉角度系统，这里的取法是古典的或称古典欧拉角11。 4. 欧拉运动学方程因为角速度是一个矢量，所以它符合一般的矢量的运算法则，如合成和分解等。 图8. 角速度方向的确定图9. 角速度的分解（一）现在来求刚体作定点转动的角速度。为便于更好地理解接下来所要作的分析推理，首先在图3中依次标出刚体在进动角度后动轴和所到达的位置为（亦即的位置）和，在章动角度后动轴所到达的位置为，如图8所示；并分别设定沿动坐标系、轴的单位矢量为、，沿定坐标系、轴的单位矢量为、；而沿轴、和的单位矢量则分别为、和。图中刚体的角速度分解为各个欧拉角速度的矢量和表为 （1-2）若把向动坐标系各轴分解，则可表为 （1-3）而由几何关系可知：可沿、三个轴分解，但在这里，由于与和之间的夹角不容易确定，所以我们先将其分解到轴和轴上（因为、同在一平面，且与垂直），如图9。则有 然后再把轴上的分量分解到和上，即 最终得： 由于与垂直，因此只能沿轴和轴分解，而在轴上没有分量，即 而沿着轴，故在轴和轴上没有分量。 集合、在、轴上的各个分量，并联立式（1-3），得 (1-4)由此我们便得到用欧拉角及其对时间的微商来表示角速度沿动坐标系的、各轴的投影的欧拉运动学方程： (1-5)或以矩阵式表示为： 刚体的角速度同样也可以向定坐标系的、各轴进行分解： 沿着轴，故在轴和上没有分量。由于与垂直，因此只能沿轴和轴分解，即 而则可沿、各轴分解，但是与和之间的夹角不容易确定，所以我们先将其分解到轴和轴上（因为、在同一平面内，且与垂直），如图10。便有图10. 角速度分解（二） 然后把在轴上的分量沿轴和轴分解，即 最后便得到在各个轴的矢量和： 至此便得到用欧拉角及其对时间的微商来表示角速度沿定坐标系的、各轴的投影的表示式：(1-6) (1-7)或 5. 图解缩影 至此，可以把总的过程简缩为一个图解流程链路，如下所示。 定义:(ON， ) 定义域:可确定对象：自转轴进动角进动轴 的方向：章动角节线ON可确定对象：自转轴的方向：定义:(Z， ) 定义域: 定义:(X，ON ) 自转角可确定对象：自转角度定义域:的方向：自转轴Z 或或角速度投影在定坐标系角速度 在动坐标系投影6.结论 本文以图解的形式呈现了描述定点转动刚体的三个独立变量（欧拉角）及用其表示的欧拉运动学方程；并对陈洛恩老师的课件作一定的修改。在一定程度上使复杂的问题得到简化分步，空间描述达到立体直观，大大地削弱了间接抽象感。把直观的图解应用于教学中，对提高学习者的空间思维能力，激发学习者的创新能力有一定的帮助。致谢 论文写作过程中很是得到杨春艳老师的关心、指导和帮助，在此表示衷心的感谢！ 参考文献：1A马尔契夫李俊峰译理论力学M高等教育出版社，20062周衍柏理论力学教程M高等教育出版社,20093彭芳麟“图解”数学物理方法的教学实践J物理，2007，（02）4赵宗杰. 质点外弹道运动规律的虚拟实验的研究J.中北大学，2008.5王峰、李秀芬、王小容等.Matlab在求解质点动力学问题中的应用J.江内科技（高校论坛），2008，（6）6孙美娟，韩修林.空气阻力与地球自转影响下自由落体的运动J.宿州学院学报，2010，25（8）7同济大学理论力学教研室理论力学（上册）M同济大学出版社8周衍柏.理论力学教程M.高等教育出版社,2009.9周衍柏.理论力学教程M.高等教育出版社,2009.10郭应征，周志红理论力学M清华大学出版社11同济大学理论力学教研室理论力学（上册）M同济大学出版社12肖尚斌，董秋泉陀螺力学M人民教育出版社Graphic rigid body mechanicsEuler kinematic equationsJia-kuan Luo(Department of physics, Yuxi normal university, Yuxi 653100)Directed by Dr.Luo-en Chen and Chun-yan YangAbstract: This paper describes the diagram of the Euler angles and Euler kinematic equations describe the rigid body point rotation in order to make the complex transformation of simple and clear and easy understanding of the learner, abstract concepts become in