La peonza (II)

Momento angular

El momento angular de un sólido rígido que gira con velocidad angular ω alrededor de un eje instantáneo que pasa por el punto fijo O es

L = i m i ( r i × v i ) = i m i ( r i ×( ω × r i ) )

Teniendo en cuenta el resultado del triple producto vectorial

a ×( b × c )=( a · c ) b ( a · b ) c

Obtenemos

i m i ( ( r i · r i ) ω ( r i · ω ) r i ) = i m i ( r i 2 ω ( r i · ω ) r i ) = { L x = i m i ( ( x i 2 + y i 2 + z i 2 ) ω x ( x i ω x + y i ω y + z i ω z ) x i ) L y = i m i ( ( x i 2 + y i 2 + z i 2 ) ω y ( x i ω x + y i ω y + z i ω z ) y i ) L z = i m i ( ( x i 2 + y i 2 + z i 2 ) ω z ( x i ω x + y i ω y + z i ω z ) z i ) { L x = ω x ( i m i ( y i 2 + z i 2 ) ) ω y ( i m i x i y i ) ω z ( i m i x i z i ) L y = ω x ( i m i x i y i )+ ω y ( i m i ( x i 2 + z i 2 ) ) ω z ( i m i y i z i ) L z = ω x ( i m i x i z i ) ω y ( i m i y i z i )+ ω z ( i m i ( x i 2 + z i 2 ) )

En forma matricial

( L x L y L z )=( I xx I xy I xz I xy I yy I yz I xz I yz I zz )( ω x ω y ω z ) L =I ω

I se denomina tensor de inercia y es una matriz simétrica

En general, el vector momento angular L , no es paralelo al vector velocidad angular, ω

Para una distribución continua de masa

I xy = V ρ( x,y,z ) xy·dV I xx = V ρ( x,y,z )( y 2 + z 2 ) dV

ρ(x,y,z) es la densidad que podría depnder de las coordendas del punto considerado del sólido. Estudiaremos sólidos homogéneos en los que la densidad ρ es constante.

Energía cinética

La energía cinética del sistema de partículas es

E k = 1 2 i m i v i 2 = 1 2 i m i ( ω × r i )· v i

Teniendo en cuenta la propiedad del producto mixto

a ·( b × c )=( a × b ) c

Obtenemos

E k = 1 2 i m i v i ·( ω × r i ) = 1 2 i m i · r i ( v i × ω ) = 1 2 ω i m i ( r i × v i ) = 1 2 ω · L = 1 2 ω ·( I ω )= 1 2 ( ω x ω y ω z )( I xx I xy I xz I xy I yy I yz I xz I yz I zz )( ω x ω y ω z )= 1 2 ( ω x ω y ω z )( I xx ω x + I xy ω y + I xz ω z I xy ω x + I yy ω y + I yz ω z I xz ω x + I yz ω y + I zz ω z )= 1 2 ( I xx ω x 2 ++ I yy ω y 2 + I zz ω z 2 +2 I xy ω x ω y +2 I xz ω x ω z +2 I yz ω y ω z )

Los elementos del tensor de inercia dependen del origen O y de la orientación de los ejes coordenados. Es posible enocontar unos ejes, denominados principales de inercia para los cuales solamente los elementos diagonales del tensor son no nulos

I=( I 1 0 0 0 I 2 0 0 0 I 3 )

La energía cinética y el momento angular serían

E k = 1 2 ( I 1 ω 1 2 + I 2 ω 2 2 + I 3 ω 3 2 ) { L 1 = I 1 ω 1 L 2 = I 2 ω 2 L 3 = I 2 ω 3

El momento angular y la velocidad angular tendrán la misma dirección a lo largo de un eje principal de inercia

Tensor de inercia

Calculamos el tensor de inercia de una placa y de un cono macizo (versión simple de una peonza)

Placa homogénea cuadrada

Sea una placa cuadrada homogénea de densidad σ kg/m2, de lado a situada en el plano XY

Los elementos del tensor de inercia son

I xx = 0 a 0 a σ y 2 dx·dy =σ 0 a ( 0 a y 2 dy )dx= m a 2 a 3 3 a= 1 3 m a 2 I yy = 0 a 0 a σ x 2 dx·dy =σ 0 a ( 0 a x 2 dx )dy= m a 2 a 3 3 a= 1 3 m a 2 I zz = 0 a 0 a σ( x 2 + y 2 )dx·dy =σ{ 0 a ( 0 a x 2 dx )dy+ 0 a ( 0 a y 2 dy )dx= } m a 2 ( a 3 3 a+ a 3 3 a )= 1 3 m a 2 I xy = 0 a 0 a σxy·dx·dy =σ( 0 a xdx )( 0 a ydy )= m a 2 a 2 2 a 2 2 = 1 4 m a 2 I xz =0 I yz =0

El tensor de inercia es

I=( 1 3 m a 2 1 4 m a 2 0 1 4 m a 2 1 3 m a 2 0 0 0 2 3 m a 2 )

Cono macizo homogéneo

Sea un cono macizo, homogéneo de densidad ρ kg/m3. de altura h y radio de l abase R. El ángulo del vértice es 2α, con tanα=R/h

Para dibujar el cono, se ha empleado el código

theta=pi/3; %angulo del cono
r=linspace(0,1,30);
phi=linspace(0,2*pi,30);
[r,phi]=meshgrid(r,phi);
x=r.*cos(phi)*sin(theta);
y=r.*sin(phi)*sin(theta);
z=r*cos(theta);
hold on
surfl(x,y,z) %cono
surfl(x,y,cos(theta)*ones(length(r))) %tapa
shading interp
colormap(gray);
hold off
axis off
view(20,30)

El elemento de volumen en coordenadas cilíndricas es dV=(r·dφ)·dr·dz, tal como se muestra en a figura. Tenemos que calcular las integrales

I xx = V ρ( y 2 + z 2 )dV I yy = V ρ( x 2 + z 2 )dV = I xx I zz = V ρ( x 2 + y 2 )dV = V ρ r 2 ·dV

El cono es un sólido de revolución, por simetría, Ixx=Iyy

I xx = V ρ( y 2 + z 2 )dV =ρ 0 2π dφ 0 R 2πr·dr hr/R h ( r 2 sin 2 φ+ z 2 )dz ρ 0 2π dφ 0 R r·( r 2 sin 2 φ( h hr R )+ h 3 3 1 3 h 3 r 3 R 3 )dr = ρ 0 2π dφ 0 R ( sin 2 φ( h r 3 h r 4 R )+ h 3 r 3 1 3 h 3 r 4 R 3 )dr = ρ 0 2π { sin 2 φ( h R 4 4 h R 4 5 )+ h 3 R 2 6 1 3 h 3 R 2 5 }dφ = ρ 0 2π { sin 2 φ( h R 4 20 )+ h 3 R 2 10 }dφ =ρ{ ( h R 4 20 ) 0 2π sin 2 φ·dφ+ h 3 R 2 10 0 2π dφ }=

Teniendo en cuenta el resultado de la integral, llegamos a

sin 2 φ·dφ= 1 2 ( φ 1 2 sin( 2φ ) ) I xx =ρ h R 2 5 π( h 2 + R 2 4 )

Calculamos Izz

I zz = V ρ( x 2 + y 2 )dV = V ρ r 2 ·dV =ρ 0 2π dφ 0 R r 2 ·rdr hr/R h dz =ρ 0 2π dφ 0 R r 3 ·( h hr R )dr = ρ 0 2π dφ 0 R ( h r 3 h r 4 R )dr =ρ h R 4 20 0 2π dφ =ρ h R 4 20 2π I zz =ρ h R 4 10 π

Calculamos los elementos fuera de la diagonal principal, Ixy

I xy = V ρxydV =ρ 0 2π cosφ·sinφ·dφ 0 R r· r 2 dr hr/R h dz = ρ 0 2π cosφ·sinφ·dφ 0 R r 3 ( h r R h )dr = ρ h R 4 20 0 2π cosφ·sinφ·dφ =ρ h R 4 20 1 2 0 2π sin( 2φ )dφ =0

Del mismo modo Ixz=Iyz=0

I xz = V ρxzdV =ρ 0 2π cosφ·dφ 0 R r·rdr hr/R h zdz = ρ 0 2π cosφ·dφ 0 R r 2 1 2 ( ( h r R ) 2 h 2 )dr = ρ h 2 R 3 15 0 2π cosφ·dφ =ρ h 2 R 3 15 ( sin( 2π )sin( 0 ) )=0

El tensor de inercia es

I=( ρ h R 2 5 π( h 2 + R 2 4 ) 0 0 0 ρ h R 2 5 π( h 2 + R 2 4 ) 0 0 0 ρ h R 4 10 π )

Angulos de Euler

Utilizamos el concepto de componente de un vector a

a = a x i ^ + a y j ^ + a z k ^ a =( a · i ^ ) i ^ +( a · j ^ ) j ^ +( a · k ^ ) k ^

El sistema de referencia inercial fijo en el espacio es x, y z

  1. Primera rotación alrededor del eje z un ángulo φ

  2. El sistema de referencia rotado un ángulo φ es X, Y, Z=z

    i ^ =( i ^ · I ^ ) I ^ +( i ^ · J ^ ) J ^ +( i ^ · K ^ ) K ^ =cosφ I ^ sinφ J ^ j ^ =( j ^ · I ^ ) I ^ +( j ^ · J ^ ) J ^ +( j ^ · K ^ ) K ^ =sinφ I ^ +cosφ J ^ k ^ =( k ^ · I ^ ) I ^ +( k ^ · J ^ ) J ^ +( k ^ · K ^ ) K ^ = K ^

  3. Segunda rotación alrededor del nuevo eje X un ángulo θ

  4. El sistema de referencia rotado un ángulo θ es X'=X, Y', Z'

    I ^ =( I ^ · I' ^ ) I' ^ +( I ^ · J' ^ ) J' ^ +( I ^ · K' ^ ) K' ^ = I' ^ J ^ =( J ^ · I' ^ ) I' ^ +( J ^ · J' ^ ) J' ^ +( J ^ · K' ^ ) K' ^ =cosθ J' ^ sinθ K' ^ K ^ =( K ^ · I' ^ ) I' ^ +( K ^ · J' ^ ) J' ^ +( K ^ · K' ^ ) K' ^ =sinθ J' ^ +cosθ K' ^

  5. Tercera rotación alrededor del nuevo eje Z' un ángulo ψ

  6. El sistema de referencia rotado un ángulo ψ es x', y', z'=Z'

    I' ^ =( I' ^ · i' ^ ) i' ^ +( I' ^ · j' ^ ) j' ^ +( I' ^ · k' ^ ) k' ^ =cosψ i' ^ sinψ j' ^ J' ^ =( J' ^ · i' ^ ) i' ^ +( J' ^ · j' ^ ) j' ^ +( J' ^ · k' ^ ) k' ^ =sinψ i' ^ +cosψ j' ^ K' ^ =( K' ^ · i' ^ ) i' ^ +( K' ^ · j' ^ ) j' ^ +( K' ^ · k' ^ ) k' ^ = k' ^

Relacionamos el sistema de referencia inercial (x,y,z) y el sistema de referencia (x',y',z') ligado al sólido rígido

{ I' ^ =cosψ i' ^ sinψ j' ^ J' ^ =sinγψ+cosψ j' ^ K' ^ = k' ^ { I ^ = I' ^ J ^ =cosθ J' ^ sinθ K' ^ K ^ =sinθ J' ^ +cosθ K' ^ { i ^ =cosφ I ^ sinφ J ^ j ^ =sinφ I ^ +cosφ J ^ k ^ = K ^ i ^ =cosφ I ^ sinφ J ^ =cosφ I' ^ sinφ( cosθ J' ^ sinθ K' ^ )=cosφ I' ^ sinφcosθ J' ^ +sinφsinθ K' ^ = cosφ( cosψ i' ^ sinψ j' ^ )sinφcosθ( sinψ i' ^ +cosψ j' ^ )+sinφsinθ k' ^ =( cosφcosψsinφcosθsinψ ) i' ^ ( cosφsinψ+sinφcosθcosψ ) j' ^ +sinφsinθ k' ^ j ^ =sinφ I ^ +cosφ J ^ =sinφ I' ^ +cosφ( cosθ J' ^ sinθ K' ^ )=sinφ I' ^ +cosφcosθ J' ^ cosφsinθ K' ^ = sinφ( cosψ i' ^ sinψ j' ^ )+cosφcosθ( sinψ i' ^ +cosψ j' ^ )cosφsinθ k' ^ = =( sinφcosψ+cosφcosβsinψ ) i' ^ +( sinφsinψ+cosφcosθcosψ ) j' ^ cosφsinθ k' ^ k ^ =sinθ J' ^ +cosθ K' ^ =sinθ( sinψ i' ^ +cosψ j' ^ )+cosθ k' ^ =( sinθsinψ ) i' ^ +( sinθcosψ ) j' ^ +cosθ k' ^

El resultado es

{ i ^ =( cosφcosψsinφcosθsinψ ) i' ^ ( cosφsinψ+sinφcosθcosψ ) j' ^ +sinφsinθ k' ^ j ^ =( sinφcosψ+cosφcosθsinψ ) i' ^ +( sinφsinψ+cosφcosθcosψ ) j' ^ cosφsinθ k' ^ k ^ =( sinθsinψ ) i' ^ +( sinθcosψ ) j' ^ +cosθ k' ^

En forma matricial

( i ^ j ^ k ^ )=( cosφ sinφ 0 sinφ cosφ 0 0 0 1 )( 1 0 0 0 cosθ sinθ 0 sinθ cosθ )( cosψ sinψ 0 sinψ cosψ 0 0 0 1 )( i' ^ j' ^ k' ^ )

Velocidad angular

La dirección de la velocidad angular es la del eje de rotación, sentido, la regla del sacacorchos

ω = dφ dt k ^ + dθ dt I ^ + dψ dt k' ^ = dφ dt ( sinθ J' ^ +cosθ K' ^ )+ dθ dt I' ^ + dψ dt k' ^ = dφ dt ( sinθ( sinψ i' ^ +cosψ j' ^ )+cosθ k' ^ )+ dθ dt ( cosψ i' ^ sinψ j' ^ )+ dψ dt k' ^ = ω =( dφ dt sinθsinψ+ dθ dt cosψ ) i' ^ +( dφ dt sinθcosψ dθ dt sinψ ) j' ^ +( dφ dt cosθ+ dψ dt ) k' ^

El resultado es

{ ω 1 = dφ dt sinθsinψ+ dθ dt cosψ ω 2 = dφ dt sinθcosψ dθ dt sinψ ω 3 = dφ dt cosθ+ dψ dt

La energía cinética se rotación de la peonza simétrica de momentos de inercia, I1=I2 e I3

E k = 1 2 ( I 1 ω 1 2 + I 2 ω 2 2 + I 3 ω 3 2 )= 1 2 I 1 ( dφ dt sinθsinψ+ dθ dt cosψ ) 2 + 1 2 I 2 ( dφ dt sinθcosψ dθ dt sinψ ) 2 + 1 2 I 3 ( dφ dt cosθ+ dψ dt ) 2 E k = 1 2 I 1 ( ( dφ dt ) 2 sin 2 θ+ ( dθ dt ) 2 )+ 1 2 I 3 ( dφ dt cosθ+ dψ dt ) 2

Ecuaciones del movimiento

La energía potencial de la peonza respecto del punto de apoyo es mghcosθ. Siendo h la distancia entre el centro de masas y el punto de apoyo

L= 1 2 I 1 ( ( dφ dt ) 2 sin 2 θ+ ( dθ dt ) 2 )+ 1 2 I 3 ( dφ dt cosθ+ dψ dt ) 2 mghcosθ

La lagrangiana depende de tres coordenadas φ, θ y ψ, tenemos tres ecuaciones del movimiento

{ d dt L φ ˙ L φ =0 d dt L ψ ˙ L ψ =0 d dt L θ ˙ L θ =0

La primera ecuación φ, describe el movimiento de precesión y la tercera ecuación en θ, el movimiento de nutación

Constantes del movimiento

Ecuación del movimiento en θ

Nos falta la ecuación del movimiento en θ

d dt L θ ˙ L θ =0 I 1 d 2 θ d t 2 I 1 ( dφ dt ) 2 sinθcosθ+ I 3 ( dφ dt cosθ+ dψ dt ) dφ dt sinθmghsinθ=0 I 1 d 2 θ d t 2 +( I 3 I 1 ) ( dφ dt ) 2 sinθcosθ+ I 3 dψ dt dφ dt sinθmghsinθ=0

Introducimos las constantes del movimiento

I 1 d 2 θ d t 2 +( I 3 I 1 ) ( p φ p ψ cosθ I 1 sin 2 θ ) 2 sinθcosθ+ I 3 ( p γ I 3 p φ p ψ cosθ I 1 sin 2 θ cosθ )( p φ p ψ cosθ I 1 sin 2 θ )sinθmghsinθ=0 I 1 d 2 θ d t 2 ( p φ p ψ cosθ ) 2 I 1 sin 3 θ cosθ+ p γ p φ p ψ cosθ I 1 sinθ mghsinθ=0 d 2 θ d t 2 = ( p φ p ψ cosθ )( p ψ p φ cosθ ) I 1 2 sin 3 θ + mgh I 1 sinθ d 2 θ d t 2 = p φ 2 + p ψ 2 I 1 2 cosθ sin 3 θ p φ p ψ I 1 2 3+cos( 2θ ) 2 sin 3 θ + mgh I 1 sinθ

Solución numérica de las ecuaciones del movimiento

Resolveremos mediante el procedimiento ode45 de MATLAB el sistema de tres ecuaciones diferenciales.

b= p φ I 1 ,a= p ψ I 1 ,B=2 mgh I 1 { d 2 θ d t 2 =( b 2 + a 2 ) cosθ sin 3 θ ab 3+cos( 2θ ) 2 sin 3 θ + B 2 sinθ dφ dt = bacosθ sin 2 θ dψ dt =a I 1 I 3 bacosθ sin 2 θ cosθ

con la condiciones iniciales

t=0,{ θ= θ 0 dθ dt =0 φ=0 ψ=0

Representaremos la trayectoria del extremo de la peonza z'=1; sobre una esfera de radio unidad. Para ello, es necesario hacer la transformación

( x y z )=( cosφ sinφ 0 sinφ cosφ 0 0 0 1 )( 1 0 0 0 cosθ sinθ 0 sinθ cosθ )( cosψ sinψ 0 sinψ cosψ 0 0 0 1 )( 0 0 1 ) ( x y z )=( cosφ sinφ 0 sinφ cosφ 0 0 0 1 )( 1 0 0 0 cosθ sinθ 0 sinθ cosθ )( 0 0 1 ) ( x y z )=( cosφ sinφ 0 sinφ cosφ 0 0 0 1 )( 0 sinθ cosθ ) { x=sinφsinθ y=cosφsinθ z=cosθ

Comprobaremos que la energía E se mentiene constante o bien, la cantidad e

E= 1 2 I 1 ( dθ dt ) 2 + 1 2 ( p φ p ψ cosθ ) 2 I 1 sin 2 θ + p ψ 2 2 I 3 +mghcosθ E I 1 p ψ 2 2 I 1 I 3 = 1 2 ( dθ dt ) 2 + 1 2 ( p φ p ψ cosθ ) 2 I 1 2 sin 2 θ + mgh I 1 cosθ e=2( E I 1 a 2 I 1 2 I 3 )= ( dθ dt ) 2 + ( bacosθ ) 2 sin 2 θ +Bcosθ

Ejemplos

Referencias

Walter Greiner. Classical Mechanics, Systems of Particles and Hamiltonian Dynamics. Second Edition. Springer 2010 pp. 185-200, 238-241

Masatsugu Sei Suzuki. Chapter 13S Symmetric top . 2010