दृढ़ पिण्ड गतिकी

बौल्टन एंड वाट स्टीम इंजन (1784) के प्रत्येक घटक की गति को कीनेमेटीक्स और कैनेटीक्स के समीकरणों के एक समुच्चय द्वारा वर्णित किया जा सकता है।

गतिशीलता के भौतिक विज्ञान में, दृढ़ पिण्ड की गतिशीलता बाह्य बल की कार्रवाई के अनुसार परस्पर जुड़े भौतिक निकाय की प्रणालियों के संचलन का अध्ययन करती है। यह धारणा कि निकाय दृढ़ हैं (अर्थात वे लागू बलों की कार्रवाई के अनुसार विरूपण (भौतिकी) नहीं करते हैं) विश्लेषण को सरल बनाता है, उन मापदंडों को कम करके जो संदर्भ विन्यास के अनुवाद और घूर्णन के लिए प्रणाली के समाकृति का वर्णन करते हैं। प्रत्येक पिण्ड से जुड़ा हुआ है। यह तरल पदार्थ, अत्यधिक लोच (भौतिकी) , और प्लास्टिसिटी (भौतिकी) व्यवहार प्रदर्शित करने वाले निकायों को बाहर करता है।

दृढ़ पिण्ड प्रणाली की गतिशीलता का वर्णन गतिकी के नियमों और न्यूटन के दूसरे नियम (न्यूटन के गति के नियम) या उनके व्युत्पन्न रूप, लैग्रैंगियन यांत्रिकी के अनुप्रयोग द्वारा किया जाता है। गति के इन समीकरणों का समाधान समय-भिन्न प्रणाली के रूप में स्थिति, गति और प्रणाली के अलग-अलग घटकों के त्वरण का विवरण समग्र प्रणाली ही प्रदान करता है। यांत्रिक प्रणालियों के कंप्यूटर अनुकरण में दृढ़ पिण्ड की गतिशीलता का निर्माण और समाधान एक महत्वपूर्ण उपकरण है।

समतलक दृढ़ पिण्ड गतिकी

यदि कणों की प्रणाली निश्चित समतल के समानांतर चलती है, तो प्रणाली को तलीय संचलन के लिए बाधित कहा जाता है। इस मामले में, N कणों की दृढ़ प्रणाली के लिए न्यूटन के नियम (काइनेटिक्स), P_i, i=1,...,N, सरल करें क्योंकि k दिशा में कोई गति नहीं है। प्राप्त करने के लिए संदर्भ बिंदु R पर परिणामी बल और आघूर्ण बल निर्धारित करें

$$\mathbf {F} =\sum _{i=1}^{N}m_{i}\mathbf {A} _{i},\quad \mathbf {T} =\sum _{i=1}^{N}(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )\times m_{i}\mathbf {A} _{i},$$

जहाँ r_i प्रत्येक कण के समतलक प्रक्षेपवक्र को दर्शाता है।

दृढ़ पिंड की शुद्धगतिकी से कण P_i के त्वरण का सूत्र प्राप्त होता है संदर्भ कण की स्थिति R और त्वरण A के साथ-साथ कोणीय वेग सदिश ω और कणों की दृढ़ प्रणाली के कोणीय त्वरण सदिश α के रूप में,

$$\mathbf {A} _{i}={\boldsymbol {\alpha }}\times (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )+{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} ))+\mathbf {A} .$$

उन प्रणालियों के लिए जो तलीय संचलन के लिए बाधित हैं, कोणीय वेग और कोणीय त्वरण सदिश गति के तल के लंबवत k के साथ निर्देशित होते हैं, जो इस त्वरण समीकरण को सरल करता है। इस मामले में, एकांक सदिश e_i को पेश करके त्वरण सदिश को सरल बनाया जा सकता है संदर्भ बिंदु R से बिंदु r_i तक और एकांक सदिश ${\textstyle \mathbf {t} _{i}=\mathbf {k} \times \mathbf {e} _{i}}$, इसलिए

$$\mathbf {A} _{i}=\alpha (\Delta r_{i}\mathbf {t} _{i})-\omega ^{2}(\Delta r_{i}\mathbf {e} _{i})+\mathbf {A} .$$

इससे प्रणाली पर परिणामी बल उत्पन्न होता है

$$\mathbf {F} =\alpha \sum _{i=1}^{N}m_{i}\left(\Delta r_{i}\mathbf {t} _{i}\right)-\omega ^{2}\sum _{i=1}^{N}m_{i}\left(\Delta r_{i}\mathbf {e} _{i}\right)+\left(\sum _{i=1}^{N}m_{i}\right)\mathbf {A} ,$$

और आघूर्ण बल के रूप में

$${\begin{aligned}\mathbf {T} ={}&\sum _{i=1}^{N}(m_{i}\Delta r_{i}\mathbf {e} _{i})\times \left(\alpha (\Delta r_{i}\mathbf {t} _{i})-\omega ^{2}(\Delta r_{i}\mathbf {e} _{i})+\mathbf {A} \right)\\{}={}&\left(\sum _{i=1}^{N}m_{i}\Delta r_{i}^{2}\right)\alpha \mathbf {k} +\left(\sum _{i=1}^{N}m_{i}\Delta r_{i}\mathbf {e} _{i}\right)\times \mathbf {A} ,\end{aligned}}$$

जहाँ ${\textstyle \mathbf {e} _{i}\times \mathbf {e} _{i}=0}$ और ${\textstyle \mathbf {e} _{i}\times \mathbf {t} _{i}=\mathbf {k} }$ सभी कणों P_i के लिए समतल के लंबवत एकांक सदिश है,

संहति-केन्द्र C को संदर्भ बिंदु के रूप में उपयोग करें, इसलिए न्यूटन के नियमों के लिए ये समीकरण सरल हो जाते हैं

$$\mathbf {F} =M\mathbf {A} ,\quad \mathbf {T} =I_{\textbf {C}}\alpha \mathbf {k} ,$$

जहाँ M कुल द्रव्यमान है और I_C दृढ़ प्रणाली के गति और संहति-केन्द्र के माध्यम से लंबवत धुरी के जड़त्वाघूर्ण है।

तीन आयामों में दृढ़ पिण्ड

अभिविन्यास या दृष्टिकोण विवरण

Main article: तीन आयामों में घूर्णन औपचारिकताएं

तीन आयामों में दृढ़ पिण्ड के झुकाव का वर्णन करने के लिए कई तरीके विकसित किए गए हैं। उन्हें निम्नलिखित खंडों में संक्षेपित किया गया है।

यूलर कोण

Main article: यूलर कोण

अभिविन्यास का प्रतिनिधित्व करने का पहला प्रयास लियोनहार्ड यूलर को दिया गया है। उन्होंने तीन संदर्भ विन्यास की कल्पना की जो एक को दूसरे के चारों ओर घुमा सकते हैं, और महसूस किया कि निश्चित संदर्भ विन्यास के साथ शुरू करके और तीन घूर्णन का प्रदर्शन करके, वह समष्टि में कोई अन्य संदर्भ विन्यास प्राप्त कर सकते हैं (ऊर्ध्वाधर अक्ष को ठीक करने के लिए दो घूर्णन का उपयोग करके और दूसरे को अन्य दो अक्ष को ठीक करें)। इन तीन घूर्णन के मानो को यूलर कोण कहा जाता है। सामान्यतः, $\psi$ अग्रगमन, $\theta$ पोषण, और $\phi$ आंतरिक घूर्णन को निरूपित करने के लिए प्रयोग किया जाता है।

• 

  यूलर कोणों का आरेख

• 

  निश्चित अक्ष के बारे में एक गेंद का आंतरिक घुमाव।

• 

  यूलर कोणों में शीर्ष की गति

टैट-ब्रायन एंगल्स

Main article: यूलर एंगल्स §  टैट-ब्रायन एंगल्स

टैट-ब्रायन एंगल्स, अभिविन्यास का वर्णन करने का एक और तरीका।

ये तीन कोण हैं, जिन्हें यव, पिच और रोल, नेविगेशन कोण और कार्डन कोण भी कहा जाता है। गणितीय रूप से वे यूलर कोणों के बारह स्थितिज समुच्चय के अंदर छह संभावनाओं के समुच्चय का गठन करते हैं, जो हवाई जहाज जैसे वाहन के उन्मुखीकरण का वर्णन करने के लिए सबसे अच्छा उपयोग किया जाता है। एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में उन्हें सामान्यतः यूलर कोण कहा जाता है।

अभिविन्यास सदिश

Main article: अक्ष-कोण प्रतिनिधित्व

यूलर ने यह भी महसूस किया कि दो घूर्णन की संरचना अलग निश्चित अक्ष (यूलर के घूर्णन प्रमेय) के एक ही घूर्णन के बराबर है। इसलिए, पूर्व के तीन कोणों की संरचना केवल एक घूर्णन के बराबर होनी चाहिए, जिसका अक्ष लांबिक विकसित होने तक गणना करने के लिए जटिल था।

इस तथ्य के आधार पर उन्होंने घूर्णन अक्ष पर सदिश और कोण के मान के बराबर मापांक के साथ किसी भी घूर्णन का वर्णन करने के लिए सदिश तरीका पेश किया। इसलिए, किसी भी अभिविन्यास को घूर्णन सदिश (जिसे यूलर सदिश भी कहा जाता है) द्वारा दर्शाया जा सकता है जो इसे संदर्भ विन्यास से ले जाता है। जब अभिविन्यास का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाता है, तो घूर्णन सदिश को सामान्यतः अभिविन्यास सदिश या अभिवृत्ति सदिश कहा जाता है।

एक समान विधि, जिसे अक्ष-कोण प्रतिनिधित्व कहा जाता है, घूर्णन अक्ष के साथ संरेखित एकांक सदिश का उपयोग करके घूर्णन या अभिविन्यास और कोण को इंगित करने के लिए अलग मान (चित्र देखें) का वर्णन करता है।

अभिविन्यास आव्यूह

Main article: घूर्णन मैट्रिक्स

आव्यूहों की शुरुआत के साथ यूलर प्रमेयों को फिर से लिखा गया। घूर्णन को लांबिक आव्यूह द्वारा वर्णित किया गया था जिसे घूर्णन लांबिक या दिशा कोसाइन लांबिक कहा जाता है। जब किसी अभिविन्यास का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाता है, तो घूर्णन आव्यूह को सामान्यतः अभिविन्यास आव्यूह या अभिवृत्ति आव्यूह कहा जाता है।

उपर्युक्त यूलर सदिश एक घूर्णन आव्यूह का अभिलक्षणिक सदिश है (घूर्णन आव्यूह का अद्वितीय वास्तविक अभिलक्षणिक मान है)। दो घूर्णन आव्यूह का उत्पाद घूर्णन की संरचना है। इसलिए, पहले की तरह, जिस फ्रेम का हम वर्णन करना चाहते हैं, उसे प्राप्त करने के लिए प्रारंभिक फ्रेम से घूर्णन के रूप में अभिविन्यास दिया जा सकता है।

n-विमीय समिष्ट में गैर-समरूपता वस्तु का विन्यास समिष्ट (भौतिकी) SO(n) × Rⁿ है | किसी निकाय को स्पर्शरेखा समिष्ट के आधार को जोड़कर अभिविन्यास की कल्पना की जा सकती है। जिस दिशा में प्रत्येक सदिश इंगित करता है वह अपना अभिविन्यास निर्धारित करता है।

अभिविन्यास चतुर्भुज

Main article: चतुर्भुज और स्थानिक रोटेशन

घूर्णन का वर्णन करने का अन्य तरीका चतुर्भुज और स्थानिक घूर्णन का उपयोग कर रहा है, जिसे वर्सर्स भी कहा जाता है। वे घूर्णन आव्यूह और घूर्णन सदिश के बराबर हैं। घूर्णन सदिश के संबंध में, उन्हें अधिक आसानी से आव्यूह में और से परिवर्तित किया जा सकता है। जब अभिविन्यास का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाता है, तो घूर्णन चतुर्भुज को सामान्यतः अभिविन्यास चतुर्भुज या अभिवृत्ति चतुर्भुज कहा जाता है।

तीन आयामों में न्यूटन का दूसरा नियम

त्रि-आयामी अंतरिक्ष में दृढ़ पिण्ड की गतिशीलता पर विचार करने के लिए, न्यूटन के दूसरे नियम को दृढ़ पिण्ड की गति और उस पर कार्य करने वाली बल और बलाघूर्णों के बीच संबंध को परिभाषित करने के लिए विस्तारित किया जाना चाहिए।

न्यूटन ने कण के लिए अपना दूसरा नियम तैयार किया, किसी निकाय की गति का परिवर्तन प्रभावित बल के समानुपाती होता है और उस सीधी रेखा की दिशा में होता है जिसमें बल लगाया जाता है। क्योंकि न्यूटन सामान्यतः कण की गति के रूप में बड़े पैमाने पर वेग को संदर्भित करता है, गति का वाक्यांश परिवर्तन कण के बड़े पैमाने पर त्वरण को संदर्भित करता है, और इसलिए इस नियम को सामान्यतः इस रूप में लिखा जाता है

$$\mathbf {F} =m\mathbf {a} ,$$

जहाँ F को कण पर कार्यरत एकमात्र बाहरी बल समझा जाता है, m कण का द्रव्यमान है, और a इसका त्वरण सदिश है। दृढ़ पिंडों के लिए न्यूटन के दूसरे नियम का विस्तार कणों की दृढ़ प्रणाली पर विचार करके प्राप्त किया जाता है।

कणों की दृढ़ व्यवस्था

यदि N कणों की प्रणाली, P_i, i=1,...,N, एक दृढ़ पिंड में इकट्ठे होते हैं, तो न्यूटन का दूसरा नियम पिण्ड के प्रत्येक कण पर लागू किया जा सकता है। यदि F_i कण P_i पर लगाया गया द्रव्यमान m_i के साथ बाह्य बल है, तब

$$\mathbf {F} _{i}+\sum _{j=1}^{N}\mathbf {F} _{ij}=m_{i}\mathbf {a} _{i},\quad i=1,\ldots ,N,$$

जहाँ F_ij कण P_j का आंतरिक बल है कण P_i पर कार्य करता है जो इन कणों के बीच निरंतर दूरी बनाए रखता है।

मानव पिण्ड को ज्यामितीय ठोसों के दृढ़ पिंडों की एक प्रणाली के रूप में प्रतिरूपित किया गया है। चलने वाले व्यक्ति के बेहतर दृश्य के लिए प्रतिनिधि हड्डियों को जोड़ा गया।

इन बल समीकरणों के लिए महत्वपूर्ण सरलीकरण परिणामी बल और बलाघूर्ण को प्रस्तुत करके प्राप्त किया जाता है जो दृढ़ प्रणाली पर कार्य करता है। यह परिणामी बल और बलाघूर्ण प्रणाली में किसी एक कण को ​​संदर्भ बिंदु, R के रूप में चुनकर प्राप्त किया जाता है, जहां प्रत्येक बाहरी बल को संबंधित बल आघूर्ण के साथ लगाया जाता है। परिणामी बल F और बल आघूर्ण T सूत्रों द्वारा दिए गए हैं,

$$\mathbf {F} =\sum _{i=1}^{N}\mathbf {F} _{i},\quad \mathbf {T} =\sum _{i=1}^{N}(\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )\times \mathbf {F} _{i},$$

जहाँ R_i वह सदिश है जो कण P_i की स्थिति को परिभाषित करता है

किसी कण के लिए न्यूटन का दूसरा नियम परिणामी बल और बल आघूर्ण के लिए इन सूत्रों के साथ संयोजन करता है,

$$\mathbf {F} =\sum _{i=1}^{N}m_{i}\mathbf {a} _{i},\quad \mathbf {T} =\sum _{i=1}^{N}(\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )\times (m_{i}\mathbf {a} _{i}),$$

जहाँ आंतरिक बल F_ij जोड़े में रद्द हो जाते हैं। दृढ़ पिंड की शुद्धगतिकी स्थिति R और संदर्भ कण की त्वरण a के साथ-साथ कोणीय वेग सदिश ω और कणों की दृढ़ प्रणाली के कोणीय त्वरण सदिश α के रूप में कण P_i के त्वरण का सूत्र प्राप्त होता है ,

$$\mathbf {a} _{i}=\alpha \times (\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )+\omega \times (\omega \times (\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} ))+\mathbf {a} .$$

द्रव्यमान गुण

दृढ़ पिण्ड के द्रव्यमान गुणों को उसके संहति-केन्द्र और जड़त्वाघूर्ण द्वारा दर्शाया जाता है। संदर्भ बिंदु R चुनें जिससे कि यह शर्त को पूरा करे

$$\sum _{i=1}^{N}m_{i}(\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )=0,$$

तब इसे प्रणाली के संहति-केन्द्र के रूप में जाना जाता है।

जड़त्वाघूर्ण आव्यूह [I_R] प्रणाली के संदर्भ बिंदु R के सापेक्ष परिभाषित किया गया है

$$[I_{R}]=\sum _{i=1}^{N}m_{i}\left(\mathbf {I} \left(\mathbf {S} _{i}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{i}\right)-\mathbf {S} _{i}\mathbf {S} _{i}^{\textsf {T}}\right),$$

जहाँ $\mathbf {S} _{i}$ स्तंभ सदिश है R_i − R; $\mathbf {S} _{i}^{\textsf {T}}$इसका स्थानान्तरण है, और $\mathbf {I}$ , 3 बटा 3 तत्समक आव्यूह है।

$\mathbf {S} _{i}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{i}$ का अदिश गुणनफल $\mathbf {S} _{i}$ खुद के साथ है, जबकि $\mathbf {S} _{i}\mathbf {S} _{i}^{\textsf {T}}$ का टेन्सर उत्पाद $\mathbf {S} _{i}$ खुद के साथ है।

बल-आघूर्ण बल समीकरण

द्रव्यमान और जड़त्वाघूर्ण आव्यूह के केंद्र का उपयोग करते हुए, दृढ़ पिण्ड के लिए बल और आघूर्ण बल समीकरण रूप लेते हैं

$$\mathbf {F} =m\mathbf {a} ,\quad \mathbf {T} =[I_{R}]\alpha +\omega \times [I_{R}]\omega ,$$

और दृढ़ पिंड के लिए न्यूटन के गति के दूसरे नियम के रूप में जाने जाते हैं।

दृढ़ निकायों की परस्पर प्रणाली की गतिशीलता, B_i, j = 1, ..., M, प्रत्येक दृढ़ पिण्ड को अलग करके और अंतःक्रियात्मक बलों को पेश करके तैयार किया जाता है। प्रत्येक पिंड पर बाहरी और अंतःक्रियात्मक बलों का परिणाम, बल-आघूर्ण समीकरण उत्पन्न करता है

$$\mathbf {F} _{j}=m_{j}\mathbf {a} _{j},\quad \mathbf {T} _{j}=[I_{R}]_{j}\alpha _{j}+\omega _{j}\times [I_{R}]_{j}\omega _{j},\quad j=1,\ldots ,M.$$

न्यूटन के सूत्रीकरण से 6M समीकरण प्राप्त होते हैं जो M दृढ़ निकायों की प्रणाली की गतिशीलता को परिभाषित करते हैं।

तीन आयामों में घूर्णन

एक घूर्णी निकाय, चाहे आघूर्ण बल के प्रभाव में हो या नहीं, अयन और अक्षविचलन के व्यवहार को प्रदर्शित कर सकती है। एक घूर्णी ठोस पिंड के व्यवहार का वर्णन करने वाला मूलभूत समीकरण यूलर की गति का समीकरण है:

$${\boldsymbol {\tau }}={\frac {D\mathbf {L} }{Dt}}={\frac {d\mathbf {L} }{dt}}+{\boldsymbol {\omega }}\times \mathbf {L} ={\frac {d(I{\boldsymbol {\omega }})}{dt}}+{\boldsymbol {\omega }}\times {I{\boldsymbol {\omega }}}=I{\boldsymbol {\alpha }}+{\boldsymbol {\omega }}\times {I{\boldsymbol {\omega }}}$$

जहाँ छद्म सदिश τ और L क्रमशः पिण्ड पर आघूर्ण बल और इसका कोणीय संवेग है, अदिश I इसकी जड़त्वाघूर्ण है, सदिश ω इसका कोणीय वेग है, सदिश α इसका कोणीय त्वरण है, D जड़त्वीय संदर्भ विन्यास में अंतर है और d पिण्ड के साथ तय सापेक्ष संदर्भ विन्यास में अंतर है।

इस समीकरण का समाधान जब कोई अनुप्रयुक्त बलाघूर्ण नहीं होता है तो लेख यूलर की गति के समीकरण और पॉइन्सॉट के दीर्घवृत्त में चर्चा की जाती है।

यूलर के समीकरण से यह पता चलता है कि आघूर्ण बल τ घूर्णन की धुरी के लिए लंबवत लागू होता है, और इसलिए L के लंबवत होता है, जिसके परिणामस्वरूप τ और L दोनों के लंबवत अक्ष के बारे में घूर्णन होता है। इस गति को 'अयन' कहा जाता है। अयन का कोणीय वेग Ω_P सदिश गुणनफल द्वारा दिया गया है:

$${\boldsymbol {\tau }}={\boldsymbol {\Omega }}_{\mathrm {P} }\times \mathbf {L} .$$

जाइरोस्कोप का अग्रगमन

स्पिनिंग टॉप (घूर्णी लट्टू) को उसकी धुरी के साथ क्षैतिज और एक सिरे पर शिथिल (पूर्वसरण की ओर घर्षण रहित) समर्थित रखकर अयन प्रदर्शित किया जा सकता है। गिरने के अतिरिक्त, जैसा कि उम्मीद की जा सकती है, शीर्ष अपनी धुरी क्षैतिज के साथ रहकर गुरुत्वाकर्षण को अवहेलना करता प्रतीत होता है, जब अक्ष के दूसरे छोर को असमर्थित छोड़ दिया जाता है और अक्ष का मुक्त अंत धीरे-धीरे क्षैतिज तल में चक्र का वर्णन करता है, जिसके परिणामस्वरूप अग्रगमन मोड़ होता है।। इस प्रभाव को उपरोक्त समीकरणों द्वारा समझाया गया है। शीर्ष पर आघूर्ण बल कुछ बलों द्वारा आपूर्ति की जाती है: गुरुत्वाकर्षण उपकरण के संहति-केन्द्र पर नीचे की ओर काम करता है, और समान बल उपकरण के छोर का समर्थन करने के लिए ऊपर की ओर काम करता है। इस आघूर्ण बल से उत्पन्न घूर्णन नीचे की ओर नहीं है, जैसा कि सहज रूप से उम्मीद की जा सकती है, जिससे उपकरण गिर सकता है, लेकिन दोनों गुरुत्वाकर्षण आघूर्ण बल (क्षैतिज और लंबवत घूर्णन की धुरी) और घूर्णन की धुरी (क्षैतिज और बाहर की ओर) दोनों के लिए लंबवत है। समर्थन का बिंदु), अर्थात, एक ऊर्ध्वाधर अक्ष के बारे में, जिससे उपकरण सहायक बिंदु के बारे में धीरे-धीरे घूमता है।

परिमाण τ के निरंतर आघूर्ण बल के अनुसार, अग्रगमन की गति Ω_P, L के व्युत्क्रमानुपाती है, इसके कोणीय संवेग का परिमाण:

$$\tau ={\mathit {\Omega }}_{\mathrm {P} }L\sin \theta ,$$

जहां θ सदिशों Ω_P और L के बीच का कोण है। इस प्रकार, यदि शीर्ष का घूर्णी धीमा हो जाता है (उदाहरण के लिए, घर्षण के कारण), इसकी कोणीय गति कम हो जाती है और इसलिए अग्रगमन की दर बढ़ जाती है। यह तब तक जारी रहता है जब तक कि उपकरण अपने स्वयं के वजन का समर्थन करने के लिए पर्याप्त तेजी से घूमने में असमर्थ हो जाता है, जब यह अयन बंद कर देता है और अपने समर्थन से गिर जाता है, ज्यादातर क्योंकि अयन के खिलाफ घर्षण और अयन का कारण बनता है जो गिरने का कारण बनता है।

अधिवेशन के अनुसार, ये तीन सदिश - आघूर्ण बल, घूर्णी और अयन - सभी एक दूसरे के संबंध में दाहिने हाथ के नियम के अनुसार उन्मुख हैं।

दृढ़ पिंड पर कार्य करने वाली बल का आभासी कार्य

दृढ़ पिण्ड गतिकी का वैकल्पिक सूत्रीकरण जिसमें कई सुविधाजनक विशेषताएं हैं, एक दृढ़ पिण्ड पर कार्य करने वाली बल के आभासी कार्य पर विचार करके प्राप्त किया जाता है।

दृढ़ पिंड पर विभिन्न बिंदुओं पर कार्यरत बलों के आभासी कार्य की गणना उनके अनुप्रयोग के बिंदु और परिणामी बल के वेगों का उपयोग करके की जा सकती है। इसे देखने के लिए, मान लीजिए कि दृढ़ पिण्ड में बल F₁, F₂ ... F_n बिंदु R₁, R₂ ... R_n पर कार्य करें।

R_i, i = 1, ..., n के प्रक्षेपवक्र दृढ़ पिण्ड के गति द्वारा परिभाषित किया गया है। बिंदुओं का वेग R_i उनके पथ के साथ हैं

$$\mathbf {V} _{i}={\boldsymbol {\omega }}\times (\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )+\mathbf {V} ,$$

जहाँ ω पिण्ड का कोणीय वेग सदिश है।

आभासी कार्य

कार्य की गणना प्रत्येक बल के अदिश गुणनफल से उसके संपर्क बिंदु के विस्थापन के साथ की जाती है

$$\delta W=\sum _{i=1}^{n}\mathbf {F} _{i}\cdot \delta \mathbf {r} _{i}.$$

यदि दृढ़ पिण्ड का प्रक्षेपवक्र सामान्यीकृत निर्देशांक के समुच्चय द्वारा परिभाषित किया गया है q_j, j = 1, ..., m, फिर आभासी विस्थापन δr_i द्वारा दिए गए हैं

$$\delta \mathbf {r} _{i}=\sum _{j=1}^{m}{\frac {\partial \mathbf {r} _{i}}{\partial q_{j}}}\delta q_{j}=\sum _{j=1}^{m}{\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}_{j}}}\delta q_{j}.$$

सामान्यीकृत निर्देशांक के संदर्भ में पिण्ड पर कार्य करने वाली बल की इस प्रणाली का आभासी कार्य बन जाता है

$$\delta W=\mathbf {F} _{1}\cdot \left(\sum _{j=1}^{m}{\frac {\partial \mathbf {V} _{1}}{\partial {\dot {q}}_{j}}}\delta q_{j}\right)+\dots +\mathbf {F} _{n}\cdot \left(\sum _{j=1}^{m}{\frac {\partial \mathbf {V} _{n}}{\partial {\dot {q}}_{j}}}\delta q_{j}\right)$$

या δq_j के गुणांक एकत्रित करना

$$\delta W=\left(\sum _{i=1}^{n}\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}_{1}}}\right)\delta q_{1}+\dots +\left(\sum _{1=1}^{n}\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}_{m}}}\right)\delta q_{m}.$$

सामान्यीकृत बल

सरलता के लिए दृढ़ पिण्ड के प्रक्षेपवक्र पर विचार करें जो सामान्यीकृत निर्देशांक q द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है, जैसे घूर्णन कोण, फिर सूत्र बन जाता है

$$\delta W=\left(\sum _{i=1}^{n}\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}}}\right)\delta q=\left(\sum _{i=1}^{n}\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial ({\boldsymbol {\omega }}\times (\mathbf {R} _{i}-\mathbf {R} )+\mathbf {V} )}{\partial {\dot {q}}}}\right)\delta q.$$

परिणामी बल F और बल आघूर्ण T का परिचय दें जिससे कि यह समीकरण रूप ले ले

$$\delta W=\left(\mathbf {F} \cdot {\frac {\partial \mathbf {V} }{\partial {\dot {q}}}}+\mathbf {T} \cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial {\dot {q}}}}\right)\delta q.$$

द्वारा मात्रा Q द्वारा परिभाषित

$$Q=\mathbf {F} \cdot {\frac {\partial \mathbf {V} }{\partial {\dot {q}}}}+\mathbf {T} \cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial {\dot {q}}}},$$

आभासी विस्थापन δq से जुड़े सामान्यीकृत बल के रूप में जाना जाता है। यह सूत्र एक से अधिक सामान्यीकृत निर्देशांक द्वारा परिभाषित दृढ़ पिण्ड की गति को सामान्य करता है, अर्थात

$$\delta W=\sum _{j=1}^{m}Q_{j}\delta q_{j},$$

जहाँ

$$Q_{j}=\mathbf {F} \cdot {\frac {\partial \mathbf {V} }{\partial {\dot {q}}_{j}}}+\mathbf {T} \cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial {\dot {q}}_{j}}},\quad j=1,\ldots ,m.$$

यह ध्यान रखना उपयोगी है कि संरक्षी बल जैसे गुरुत्वाकर्षण और कमानी बल स्थितिज कार्य से व्युत्पन्न होते हैं V(q₁, ..., q_n), स्थितिज ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। इस मामले में सामान्यीकृत बलों द्वारा दिया जाता है

$$Q_{j}=-{\frac {\partial V}{\partial q_{j}}},\quad j=1,\ldots ,m.$$

डी'अलेम्बर्ट के आभासी कार्य के सिद्धांत का रूप

दृढ़ निकायों की यांत्रिक प्रणाली के लिए गति के समीकरण आभासी कार्य के सिद्धांत के डी'अलेम्बर्ट के रूप का उपयोग करके निर्धारित किए जा सकते हैं। आभासी कार्य के सिद्धांत का उपयोग दृढ़ पिंडों की प्रणाली के स्थिर संतुलन का अध्ययन करने के लिए किया जाता है, चूंकि न्यूटन के नियमों में त्वरण की शर्तें पेश करके इस दृष्टिकोण को गतिशील संतुलन को परिभाषित करने के लिए सामान्यीकृत किया जाता है।

स्थैतिक संतुलन

यांत्रिक प्रणाली दृढ़ निकायों के स्थिर संतुलन को इस शर्त से परिभाषित किया जाता है कि प्रणाली के किसी भी आभासी विस्थापन के लिए लागू बलों का आभासी कार्य शून्य है। इसे आभासी कार्य के सिद्धांत के रूप में जाना जाता है। यह आवश्यकता के बराबर है कि किसी भी आभासी विस्थापन के लिए सामान्यीकृत बल शून्य हैं, अर्थात Q_i=0।

n दृढ़ पिण्ड से एक यांत्रिक प्रणाली का निर्माण करने दें, B_i, i = 1, ..., n, और प्रत्येक पिंड पर लागू बलों का परिणाम बल-आघूर्ण बल जोड़े, F_i और T_i, i = 1, ..., n, होने दें। ध्यान दें कि इन लागू बलों में उन प्रतिक्रिया बलों को सम्मलित नहीं किया गया है जहां निकाय जुड़े हुए हैं। अंत में, मान लें कि वेग V_i और कोणीय वेग ω_i, i = 1, ..., n, प्रत्येक दृढ़ पिण्ड के लिए, एक सामान्यीकृत निर्देशांक q द्वारा परिभाषित किया गया है। कहा जाता है कि दृढ़ निकायों की ऐसी प्रणाली में एक स्वातंत्र्य कोटि (यांत्रिकी) होती है।

बलों और बलाघूर्णों का आभासी कार्य, F_i और T_i, इस पर लागू एक स्वातंत्र्य कोटि प्रणाली द्वारा दी गई है

$$\delta W=\sum _{i=1}^{n}\left(\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}}}+\mathbf {T} _{i}\cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}_{i}}{\partial {\dot {q}}}}\right)\delta q=Q\delta q,$$

जहाँ

$$Q=\sum _{i=1}^{n}\left(\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}}}+\mathbf {T} _{i}\cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}_{i}}{\partial {\dot {q}}}}\right),$$

एक स्वातंत्र्य कोटि प्रणाली पर काम करने वाली सामान्यीकृत बल है।

यदि यांत्रिक प्रणाली को एम सामान्यीकृत निर्देशांक द्वारा परिभाषित किया गया है, q_j, j = 1, ..., m, तब प्रणाली में स्वतंत्रता की m डिग्री होती है और आभासी कार्य द्वारा दिया जाता है,

$$\delta W=\sum _{j=1}^{m}Q_{j}\delta q_{j},$$

जहाँ

$$Q_{j}=\sum _{i=1}^{n}\left(\mathbf {F} _{i}\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} _{i}}{\partial {\dot {q}}_{j}}}+\mathbf {T} _{i}\cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}_{i}}{\partial {\dot {q}}_{j}}}\right),\quad j=1,\ldots ,m.$$

सामान्यीकृत निर्देशांक q_j से जुड़ा सामान्यीकृत बल है, आभासी कार्य का सिद्धांत कहता है कि स्थैतिक संतुलन तब होता है जब प्रणाली पर कार्य करने वाले ये सामान्यीकृत बल शून्य होते हैं, अर्थात

$$Q_{j}=0,\quad j=1,\ldots ,m.$$

इन m समीकरण दृढ़ निकायों की प्रणाली के स्थिर संतुलन को परिभाषित करते हैं।

सामान्यीकृत जड़त्वाघूर्ण बल

एकल दृढ़ पिंड पर विचार करें जो परिणामी बल F और आघूर्ण बल T की क्रिया के अनुसार चलता है, सामान्यीकृत निर्देशांक q द्वारा परिभाषित एक स्वातंत्र्य कोटि के साथ है। परिणामी बल के लिए संदर्भ बिंदु मान लें और आघूर्ण बल पिण्ड के द्रव्यमान का केंद्र है, फिर सामान्यीकृत जड़त्वाघूर्ण बल Q* सामान्यीकृत निर्देशांक q से जुड़ा हुआ है द्वारा दिया गया है

$$Q^{*}=-(M\mathbf {A} )\cdot {\frac {\partial \mathbf {V} }{\partial {\dot {q}}}}-\left([I_{R}]{\boldsymbol {\alpha }}+{\boldsymbol {\omega }}\times [I_{R}]{\boldsymbol {\omega }}\right)\cdot {\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial {\dot {q}}}}.$$

इस जड़त्व बल की गणना दृढ़ पिंड की गतिज ऊर्जा से की जा सकती है,

$$T={\tfrac {1}{2}}M\mathbf {V} \cdot \mathbf {V} +{\tfrac {1}{2}}{\boldsymbol {\omega }}\cdot [I_{R}]{\boldsymbol {\omega }},$$

सूत्र का उपयोग करके

$$Q^{*}=-\left({\frac {d}{dt}}{\frac {\partial T}{\partial {\dot {q}}}}-{\frac {\partial T}{\partial q}}\right).$$

m सामान्यीकृत निर्देशांक वाले n दृढ़ पिंडों की प्रणाली में गतिज ऊर्जा होती है

$$T=\sum _{i=1}^{n}\left({\tfrac {1}{2}}M\mathbf {V} _{i}\cdot \mathbf {V} _{i}+{\tfrac {1}{2}}{\boldsymbol {\omega }}_{i}\cdot [I_{R}]{\boldsymbol {\omega }}_{i}\right),$$

जिसका उपयोग m सामान्यीकृत जड़त्वाघूर्ण बलों की गणना के लिए किया जा सकता है

$$Q_{j}^{*}=-\left({\frac {d}{dt}}{\frac {\partial T}{\partial {\dot {q}}_{j}}}-{\frac {\partial T}{\partial q_{j}}}\right),\quad j=1,\ldots ,m.$$

गतिशील संतुलन

आभासी कार्य के सिद्धांत के डी'अलेम्बर्ट के रूप में कहा गया है कि दृढ़ निकायों की प्रणाली गतिशील संतुलन में है जब लागू बलों के योग का आभासी कार्य और जड़त्वीय बल प्रणाली के किसी भी आभासी विस्थापन के लिए शून्य है। इस प्रकार, m सामान्यीकृत निर्देशांक वाले n दृढ़ निकायों की प्रणाली के गतिशील संतुलन की आवश्यकता है

$$\delta W=\left(Q_{1}+Q_{1}^{*}\right)\delta q_{1}+\dots +\left(Q_{m}+Q_{m}^{*}\right)\delta q_{m}=0,$$

आभासी विस्थापन δq_j के किसी भी समुच्चय के लिए, यह स्थिति उपजती है m समीकरण,

$$Q_{j}+Q_{j}^{*}=0,\quad j=1,\ldots ,m,$$

जिसे इस रूप में भी लिखा जा सकता है

$${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial T}{\partial {\dot {q}}_{j}}}-{\frac {\partial T}{\partial q_{j}}}=Q_{j},\quad j=1,\ldots ,m.$$

परिणाम गति के m समीकरणों का समुच्चय है जो दृढ़ पिण्ड प्रणाली की गतिशीलता को परिभाषित करता है।

लैग्रेंज के समीकरण

यदि सामान्यीकृत बल Q_j स्थितिज ऊर्जा V(q₁, ..., q_m) से व्युत्पन्न हैं , तो गति के ये समीकरण रूप ले लेते हैं

$${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial T}{\partial {\dot {q}}_{j}}}-{\frac {\partial T}{\partial q_{j}}}=-{\frac {\partial V}{\partial q_{j}}},\quad j=1,\ldots ,m.$$

इस मामले में, लाग्रांजीय यांत्रिकी का परिचय दें, L = T − V, तो गति के ये समीकरण बन जाते हैं

$${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{j}}}-{\frac {\partial L}{\partial q_{j}}}=0\quad j=1,\ldots ,m.$$

इन्हें लाग्रांजीय यांत्रिकी के रूप में जाना जाता है।

रैखिक और कोणीय गति

कणों की प्रणाली

संहति-केन्द्र के सापेक्ष कणों की स्थिति और वेग को मापकर कणों की दृढ़ प्रणाली की रैखिक और कोणीय गति तैयार की जाती है। माना कणों का निकाय P_i, i = 1, ..., n निर्देशांक r_i पर और वेग v_i स्थित हो, संदर्भ बिंदु R का चयन करें और सापेक्ष स्थिति और वेग सदिश की गणना करें,

$$\mathbf {r} _{i}=\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)+\mathbf {R} ,\quad \mathbf {v} _{i}={\frac {d}{dt}}(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )+\mathbf {V} .$$

संदर्भ बिंदु R के सापेक्ष कुल रैखिक और कोणीय संवेग सदिश हैं

$$\mathbf {p} ={\frac {d}{dt}}\left(\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)\right)+\left(\sum _{i=1}^{n}m_{i}\right)\mathbf {V} ,$$

और

$$\mathbf {L} =\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)\times {\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)+\left(\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)\right)\times \mathbf {V} .$$

यदि R को संहति-केन्द्र के रूप में चुना जाता है तो ये समीकरण सरल हो जाते हैं

$$\mathbf {p} =M\mathbf {V} ,\quad \mathbf {L} =\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right)\times {\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} \right).$$

कणों की दृढ़ व्यवस्था

इन सूत्रों को दृढ़ पिण्ड के लिए विशिष्ट बनाने के लिए, मान लें कि कण एक दूसरे से सख्ती से जुड़े हुए हैं इसलिए P_i, i=1,...,n निर्देशांक r_i और वेग v_i द्वारा स्थित हैं। संदर्भ बिंदु R का चयन करें और सापेक्ष स्थिति और वेग सदिश की गणना करें,

$$\mathbf {r} _{i}=(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )+\mathbf {R} ,\quad \mathbf {v} _{i}=\omega \times (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )+\mathbf {V} ,$$

जहाँ ω निकाय का कोणीय वेग है।

द्रव्यमान R के केंद्र के सापेक्ष मापी गई इस दृढ़ प्रणाली का रैखिक संवेग और कोणीय संवेग है

$$\mathbf {p} =\left(\sum _{i=1}^{n}m_{i}\right)\mathbf {V} ,\quad \mathbf {L} =\sum _{i=1}^{n}m_{i}(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )\times \mathbf {v} _{i}=\sum _{i=1}^{n}m_{i}(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )\times (\omega \times (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {R} )).$$

ये समीकरण बनने में आसान होते हैं,

$$\mathbf {p} =M\mathbf {V} ,\quad \mathbf {L} =[I_{R}]\omega ,$$

जहाँ M निकाय का कुल द्रव्यमान है और [I_R] द्वारा परिभाषित जड़त्वाघूर्ण आव्यूह का क्षण है

$$[I_{R}]=-\sum _{i=1}^{n}m_{i}[r_{i}-R][r_{i}-R],$$

जहाँ [r_i − R] सदिश r_i − R से निर्मित विषम सममित आव्यूह है

अनुप्रयोग

• रोबोटिक प्रणाली के विश्लेषण के लिए
• जानवरों, मनुष्यों या ह्यूमनॉइड प्रणाली के बायोमैकेनिकल विश्लेषण के लिए
• अंतरिक्ष वस्तुओं के विश्लेषण के लिए
• दृढ़ पिंडों की विचित्र गतियों को समझने के लिए।
• जाइरोस्कोपिक सेंसर जैसे गतिकी-आधारित सेंसर के डिजाइन और विकास के लिए।
• ऑटोमोबाइल में विभिन्न स्थिरता वृद्धि अनुप्रयोगों के डिजाइन और विकास के लिए।
• दृढ़ निकायों वाले वीडियो गेम के ग्राफिक्स में सुधार के लिए

यह भी देखें

• विश्लेषणात्मक यांत्रिकी
• विश्लेषणात्मक गतिशीलता
• विविधताओं की गणना
• चिरसम्मत यांत्रिकी
• गतिकी (भौतिकी)
• चिरसम्मत यांत्रिकी का इतिहास
• लाग्रांजीय यांत्रिकी
• लाग्रांजीय यांत्रिकी
• हैमिल्टनियन यांत्रिकी
• सख्त शरीर
• कठोर रोटर
• कोमल शरीर की गतिशीलता
• [[ मल्टीबॉडी डायनामेक्स ]]
• आधा फेंको
• रेपोल प्रमुख
• रियायत
• पॉइन्सॉट का निर्माण
• जाइरोस्कोप
• भौतिकी इंजन
• भौतिकी प्रसंस्करण इकाई
• पाल (सॉफ्टवेयर) - एकीकृत मल्टीबॉडी सिम्युलेटर
• डायनेमेच - रिजिड-बॉडी सिमुलेटर
• कठोर चिप्स - जापानी कठोर शरीर सिम्युलेटर
• यूलर का समीकरण

अग्रिम पठन

• E. Leimanis (1965). The General Problem of the Motion of Coupled Rigid Bodies about a Fixed Point. (Springer, New York).
• W. B. Heard (2006). Rigid Body Mechanics: Mathematics, Physics and Applications. (Wiley-VCH).

बाहरी कड़ियाँ

• Chris Hecker's Rigid Body Dynamics Information Archived 12 March 2007 at the Wayback Machine
• Physically Based Modeling: Principles and Practice
• DigitalRune Knowledge Base Archived 20 November 2008 at the Wayback Machine contains a master thesis and a collection of resources about rigid body dynamics.
• F. Klein, "Note on the connection between line geometry and the mechanics of rigid bodies" (English translation)
• F. Klein, "On Sir Robert Ball's theory of screws" (English translation)
• E. Cotton, "Application of Cayley geometry to the geometric study of the displacement of a solid around a fixed point" (English translation)