欧拉方程 (刚体运动)

在经典力学中,欧拉旋转方程是描述刚体旋转的矢量拟线性一阶常微分方程,使用角速度为 ω 的旋转参考系,其轴固定在刚体上。

其中 M 是施加的扭矩,I 是惯性矩阵。向量 α = ω ˙ {displaystyle {boldsymbol {alpha }}={dot {boldsymbol {omega }}}} 是角加速度

其中 Mk 是施加扭矩的分量,Ik 是主惯性矩,ωk 是角速度的分量。

推导

惯性参考系(下标)中,欧拉第二定律指出角动量 L 的时间导数等于施加的扭矩

对于内力为中心力的点粒子,这可以使用牛顿第二定律推导出来。

在惯性系中,微分方程并不总是有助于求解一般旋转刚体的运动,因为 Iin 和 ω 在运动过程中都会发生变化。 也可以改为固定在旋转体中的坐标系,在该坐标系中转动惯量张量是恒定的。 使用一个参考系,比如在质心的参考系,坐标系的位置从方程中消失。

因此出现叉积,请参见旋转参考系中的时间导数。

现在代入 L = I ω {displaystyle mathbf {L} =mathbf {I} {boldsymbol {omega }}} 并在旋转坐标系中取时间导数,同时意识到 粒子位置和惯性张量不依赖于时间。

在讨论合成扭矩时,这些方程式也源自牛顿定律。

欧拉方程 (刚体运动)

特殊情况解决方案

无扭矩进动

对于右侧扭矩为零的情况,无扭矩进动是非常重要的解决方案。

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