Диссертация посвящена изучению динамики неголопомных механических систем в окрестности подмножества фазового пространства, где уравнения связей являются вырожденными.
По-существу. это важный частный случай теории вырожденных уравнений динамики или. еще в большей общности, теории неявных систем дифференциальных уравнений.
Эта область находится на стыке теоретической механики, математической теории особенностей, теории дифференциальных уравнений. Она мало изучена, особенно в приложениях.
Актуальность темы
исследования.
Динамика неголономпых систем представляет собой один из наиболее сложных и красивых разделов механики. В практике в основном применяются линейные по скоростям неголономные связи, моделирующие качение твердых тел. движение тела с острым краем (конька). В последнее время с развитием сложных робототехнических и транспортных систем возрос интерес к исследованию систем с нелинейными связями, например обобщениям классического примера Аппеля. а также с линейными связями более общего вида. Начиная с работ классиков 19 века и отечественных основоположников неголономной механики С. А. Чаплыгина. П. В. Воронца др. (см. например. 12. 23 25]). всегда предполагалось. что система неголономных связей имеет полный ранг. В этом случае уравнения динамики систем, идеальных по Лагранжу. могут быть записаны в разрешенном относительно старших производных виде. Только отдельные работы в последние десятилетия рассматривали другие случаи, когда уравнения динамики приводили к неявным уравнениям. Среди них хорошо известны только работы Дирака об особых точках уравнений Эйлера-Лагранжа. для которых матрица вторых производных Лагранжиана по обобщенным скоростям вырождена [57]. Систематического исследования динамики неголономных систем вблизи множества вырождения связей в литературе пет. Отметим только ряд интересных работ посвященным отдельным случаям возникновения неявных уравнений в задачах теоретической механики и близких разделов теории динамических систем [36. 49. 58. 59]. С другой стороны, начатая с работ А. Пуанкаре [60] и развитая в работах В. И. Арнольда [3 9. 11]. геометрическая теория неявных дифференциальных уравнений превратилась в развитый аппарат исследования сложных систем. Различным аспектам применения теории особенностей в неявных дифференциальных уравнениях посвящены. в частности. следующие фундаментальные работы [16 18. 51 53- 55, 56, 62]. Настоящая работа посвящена как раз этому недостаточно изученному и интересному разделу механики. Основные методы — это как раз методы геометрической теории неявных дифференциальных уравнений и математической теории особенностей, изложению которых посвящены, в частности, недавние работы известных ученых [37, 38, 40, 41, 43 48, 61, 65, 67 70].
Актуальность темы
и результатов, среди которых исследование простого и красивого примера (движения балки с двумя коньками), еще более подчеркивается наличием в современной технике сложных гибридных механических управляемых систем (см., например, работы [26 29]). в которых реализуются неголономпые связи весьма общего вида. Аналогичные системы уравнений возникают также в различных разделах современной физики (см. например, [63]).
Наиболее существенные результаты работы:
1. Доказано, что нормальная форма уравнений Лаграижа с неопределенными множителями в окрестности множества вырождения неголономных линейных связей задает систему с быстрыми и медленными переменными. Сделаны выводы о неуправляемости такой системы.
2. Построен фазовый портрет и исследована структурная устойчивость неявного дифференциального уравнения на типичной особой поверхности в трехмерном пространстве. ¦
3.Получена классификация локальных особенностей первых интегралов вырожденных механических систем с нелинейными связями, сводящихся к системам с двумя степенями свободы.
4. Исследована динамика неголономной системы, состоящей из балки с двумя коньками, и совершающей плоское движение вблизи множества падения на единицу ранга системы неголономпых связей. Показано, возникновение области ударных движений.
Научная новизна.
В диссертации получены новые теоретические результаты, представляющие интерес для широкого круга специалистов по механике и теории дифференциальных уравнений. Эти результаты, по-видимому, не встречались ранее в мировой литературе. Такими результатами являются:
Доказательство теоремы о нормальной форме уравнений динамики в окрестности вырождения связей коранга 1.
Качественное исследование динамики механической системы, описываемой неявным дифференциальным уравнением на особой поверхности, так называемом. «зонтике Уитни11.
Качественное исследование динамики балки с двумя коньками вблизи^ множества вырождения системы уравнений связей.
Классифицированы нормальные формы локальных особенностей первых интегралов вырожденных систем с нелинейными связями, сводящихся к 2 степеням свободы.
Достоверность.
Достоверность исследования обеспечивается применением строгих математических методов, а также соответствием выводов, полученных в диссертации. известным ранее результатам. Все теоретические положения сформулированы в виде теорем и лемм и полностью доказаны.
Автору диссертации удалось использовать современные методы теории неявных дифференциальных уравнений и математической теории особенностей для исследования качественного поведения сложных неголоиомпых механических систем вблизи множества падения ранга матрицы линейных связей или дифференциалов нелинейных связей. Теоретическое исследование структурной устойчивости неявного уравнения динамики на специальной особой поверхности дополняет недавние работы ряда специалистов из Японии и Великобритании (см. например. [15. 47. 56]), не изучивших эти важные для приложений явления.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования.
Результаты анализа качественного поведения пеголономных механических систем вблизи области вырождения уравнений связей являются новыми теоретическими положениями, имеющими приложения в фундаментальных и практических исследованиях динамики сложных систем, в частности, в робототехнике. в многозвенных транспортных системах. Методы созданные в диссертации могут быть использованы в исследовании систем дифференциальных уравнений с быстрыми и медленными переменными, в теории управляемого движения. Результаты о качественном поведении неявного уравнения на специальной особой поверхности имеют широкий спектр приложений в ряде областей естествознания. включая, в частности, неголопомные механические системы, состоящие из нескольких сочлененных твердых тел. снабженных несколькими колесными парами, а также и задачи релятивистской физики, сводящиеся к системам уравнений с вырожденными Лагранжианами. Полученные обще-теоретические результаты могут быть использованы в учебном процессе при подготовке спецкурсов по теории неголономных систем и неявных дифференциальных уравнений.
Апробация результатов исследования.
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены па двух международных конференциях: Международная конференция по Механике и Управлению. Суздаль. Июль 2009; Международная конференция «Дифференциальные уравнения и особенности», Суздаль. Июль 2010; а также на семинаре «Дифференциальные уравнения и механика» факультета Прикладной математики и физики МАИ (Апрель 2010).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 6 работ [30 35]. из них три статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Одна статья принята к печати. Опубликованные в данных журналах статьи полностью отражают содержание всех глав диссертации.
Более подробное описание диссертации.
Работа состоит из двух глав.
В первой, нас интересует качественное поведение неголономных механических систем, в том числе, систем с управлением, при условии, что уравнения связей (которые мы считаем линейными однородными по скоростям) задаются в некоторых точках вырожденной матрицей.
Исторически первой общей формой уравнений неголопомной механики считают уравнения Лаграпжа с неопределенными множителями, которые впервые были получены в работе Феррерса [22] (однако название уравнений Феррерса они не получили) где Т — кинетическая энергия системы, являющаяся функцией обобщенных координат д = • • •- ?))) — обобщенных скоростей д = [д,., дп) и времени ЯАчЛ-Л) ~ обобщенные силы. Xj неопределенные множители (имеющие часто смысл обобщенных сил реакции иеголопомных связей) и /ДОпФ,^) = 0. '] — 1,. уравнения неголопомиых связей. Система уравнений (1) вытекает из принципа Даламбера-Лагранжа [12,24], из которого выводятся также многие другие формы уравнений динамики подобных систем (Гаусса. Гельдера). Различные методы исключения неопределенных множителей приводят к различным типам уравнений иеголоиомной динамики Аппеля, Чаплыгина. Воль-терра. Больцмана-Гамеля и др. [12. 23. 24]. Однако, всегда предполагается, что накладываемые на систему неголопомные связи являются независимыми, то д f есть векторы градиентовщявляются линейно независимыми. Большинство встречающихся в практике неголономных связей являются линейными по обобщенным скоростям, другими словами, функции имеют вид п = + ьМ-л).
В этом случае условие невырожденности означает, что к х п матрица, А = (а?,) имеет полный ранг к. Важные в приложениях стандартные классы неголономных связей, как например, качение без проскальзывания одного твердого тела по другому, невырождены везде (см. [25]). Однако, имеются и простые примеры систем с непустым множеством вырождения.
В этой главе мы интересуемся поведением системы описываемой уравнениями (1) вблизи подмножества? фазового пространства ТМ = (д, д). в точках которого условия невырожденности нарушается.
Предполагается, что вырождения удовлетворяют условиям общности положения и имеют наиболее простой вид. В частности, ранг матрицы, А равен к— 1. Показано, что в этом случае вблизи Е система может быть описана как система с быстро-медленными переменными. В общем положении для почти каждой за исключением подмножества относительной меры 0) точки Е не существует непрерывно дифференцируемой фазовой траектории системы, проходящей через эту точку. Этот факт представляет интерес для систем с управлением или систем программного движения: для того, чтобы получить, хотя бы приближенно. непрерывно дифференцируемую фазовую траекторию, трансверсальио пересекающую множество Е указанного вида, необходимо приложить к системе очень большие внешние силы (или соответствующие управления).
Рассмотрен пример динамики двух коньков па плоскости, соединенных балкой, в окрестности вырождения системы уравнений связей. Заметим, что ряд других практических задач (не вошедших в настоящую диссертацию).например, движение тележки с поворачивающимися колесиками, моделируемое невырожденной системой, которая становится вырожденной при обращении в нуль малого параметра, и задачи оптимального управления такой тележкой. также имеют подобные свойства вблизи подмногообразия вырождения.
Безусловноприменение принципа Даламбера — Лагранжа в окрестности вырождения связей это существенная идеализация практической задачи: не учитываются многие регуляризирующие свойства (трение, деформации и т. д.). Мы не претендуем на большую точность согласия наших оценок с возможными физическими экспериментами. Однако, именно поведение идеальной системы в критическом случае, как нам кажется, представляет самостоятельный научный интерес.
Отметим также, что подобные вырождения неголономиых динамических систем рассматривались ранее в задачах программного движения робота. Даже в простейшем случае, описанном, например, в работах [26. 27]. оценки сложности программного движения скачкообразно меняются при пересечении поверхности Мартине, на которой происходит вырождение неголономного распределения.
Имеющие прикладное значение примеры применения полученных в этой работе результатов можно найти в различных задачах управления робото-тех-ническими устройствами (см. например [28. 29]).
Итак, в первой главе показано, что асимптотическое поведение механической системы общего положения, подчиняющейся уравнениям Лаграпжа с неопределенными множителями (уравнения Феррерса). с линейными неголо-номпыми связями в окрестности подмногообразия, па котором ранг системы уравнении связей падает на единицу, задается системой с быстрыми и медленными переменными.
В общем положении для почти каждой (за исключением подмножества относительной меры 0) точки из множества вырождения не существует непрерывно дифференцируемой фазовой траектории системы, проходящей через эту точку и не касающейся этого множества. Итак, в системе с управлением при решении задачи программного движения для того, чтобы получить, хотя бы приближенно, непрерывно дифференцируемую фазовую траекторию, проходящую в малой окрестности множества вырождения связей, скорее всего придется приложить к системе очень большие внешние силы.
Изучено качественное поведение пеголономной системы «балка с двумя коньками» вблизи множества вырождения. Показано, что система уравнений для особых движений сводится к одномерной системе на особой поверхности с двумя «зонтиками Уитпи». Исследована устойчивость особых точек па такой поверхности.
В ряде случаев в теории неявных дифференциальных уравнений в качестве поверхности Пуанкаре появляется особая поверхность изоморфная зонтику Уитни. Исследованию этих случаев, один из которых происходит из теории быстро-медленных систем, другой из неявных систем из двух дифференциальных уравнений первого порядка в пятимерном пространстве после редукции по части переменных, посвящены цитироваиные выше недавние работы известных ученых А. А. Давыдова. Ш. Изумнйи. Ф. Тарн из России. Японии. Великобритании. Рассматривался только случай наиболее общего расположения зонтика по отношению к проекции на конфигурационное пространство.
Однако, важный для нас случай, возникающий, как в примере балки с двумя коньками, в литературе отсутствует. Этот случай выделяется тем. что поверхность Пуанкаре, представляющая собой зонтик Уитни. имеет вертикальную (то есть параллельную оси производной) линию самопересечения (которую, часто называют «ручкой» зонтика Уитни). Другими словами, особые точки проекции на конфигурационное пространство неизолированы. а образуют целые линии. Такой случай характерен для неявных уравнений в лагранжевой механике, в частности, при изучении особенностей уравнений Лагранжа вблизи вырождения иеголономных связей.
Поэтому изучить этот случай в деталях, то есть, в частности, найти нормальные формы такой особенности относительно группы контактных преобразований, найти нормальные формы поднятого векторного поля и изучить его фазовые траектории, означает продвинуть саму математическую теорию неявных дифференциальных уравнений именно в том направлении, которое имеет непосредственные приложения в естествознании. Это и сделано в последнем разделе первой главы.
О второй главе.
Исследуемые в первой главе уравнения на самом деле являются частным случаем системы дифференциальных уравнений неразрешенных относительно старших производных. Поэтому во второй главе мы рассматриваем некоторые новые вопросы теории таких систем.
Классификация особенностей неявного дифференциального уравнения первого порядка для одной неизвестной функции скалярного переменного, получеппая в работах А. Пуанкаре. М. Чибрарио, В. И. Арнольда. Д. В. Брюса. A.A. Давыдова и других, является замечательным приложением теории особенностей. В настоящее время она составляет отдельную главу теории обыкновенных дифференциальных уравнений (см. например, учебник В. И. Арнольда [9]). Похожее на неявное уравнение понятие «сети» представляет интерес в физике и геометрии. Многие исследователи интересуются специальными классами неявных уравнений, связанных с Гамильтоновой механикой и физикой (см. например, работу [16]).
Теория неявных дифференциальных уравнений основана на геометрической конструкции Пуанкаре проектирования поверхности, вложенной в трехмерное контактное пространство.
Существенно меньше известно про системы неявных дифференциальных уравнений. В серии недавних работ [17. 18] А. О. Ремизов описал некоторые основные свойства конструкции Пуанкаре в пространстве R2n+1, которая отвечает системе неявных дифференциальных уравнений.
В начале главы обсуждаются некоторые многомерные аналоги классической теории, а именно, свойства типичных первых интегралов систем неявных уравнений и быстро-медленных динамических систем, получаемых при редукции уравнений неголономпых систем с неразрешимыми относительно производных нелинейными связями. Доказана теорема о том, что особенности таких систем совпадают с типичными особенностями первых интегралов систем общего вида.
Как известно, основной класс особенностей таких интегралов, состоит из Лежандровых проекций особых Лежандровых подмногообразий, названных «открытыми зонтиками Уитни которые возникают также и во многих других приложениях теории особенностей. Они изучались в работах A.B. Гивенталя. A.A. Давыдова. И. А. Вогаевского, Г. Ишикавы и др. [1'4, 15, 20].
Основным результатом второй главы является классификация и геометрическое описание всех типичных локальных особенностей первых интегралов систем, сводящихся к. вообще говоря, неавтономным системам двух неявных уравнений первого порядка относительно двух обобщенных координат.
В заключительном разделе показало, что неявные системы дифференциальных уравнений, которые получаются из уравнений Лагранжа при вырожденной кинетической энергии или, как в 1 главе, при вырождении линейных связей — не являются общими. Приведены примеры типичных особенностей первых интегралов для таких систем.
Автор диссертации приносит благодарность коллективу кафедры «Теоретическая механика» МАИ. где была выполнена эта работа, и особенно, своему научному руководителю, заведующему кафедрой, доктору физико-математических наук Б. С. Бардину.
Заключение
.
Итак, в нашей работе показано, что асимптотическое поведение механической системы общего положения, подчиняющейся уравнениям Лаграпжа с неопределенными множителями (уравнения Феррерса), с линейными иеголо-номными связями в окрестности подмногообразия, на котором ранг системы уравнений связей падает на единицу, задается системой с быстрыми и медленными переменными.
В общем положении для почти каждой (за исключением подмножества относительной меры 0) точки из множества вырождения не существует непрерывно дифференцируемой фазовой траектории системы, проходящей через эту точку, и не касающейся этого множества. Этот факт представляет интерес для систем с управлением или систем программного движения: для того, чтобы получить, хотя бы приближенно, непрерывно дифференцируемую фазовую траекторию. трапсверсальио пересекающую множество вырождения связей, необходимо приложить к системе очень большие внешние силы (или соответствующие управления).
Изучено качественное поведение иеголопомиой системы «балка с двумя коньками «вблизи множества вырождения. Показано, что система уравнений для особых движений сводится к одномерной системе на особой поверхности с двумя «зонтиками Уитии.» Исследована устойчивость особых точек па такой поверхности.
Исследован новый, важный для приложений, возникающий, в примере балки с двумя коньками, случай неявного дифференциального уравнения. Этот случай выделяется тем, что поверхность Пуанкаре, представляющая собой зонтик Уитпи, имеет вертикальную (то есть параллельную оси производной) линию самопересечения. Другими словами, особые точки проекции иа коифигурациопиое пространство пеизолированы. а образуют целые липни. Такой случай характерен для неявных уравнений в лаграижевой механике, в частности, при изучении особенностей уравнений Лагранжа вблизи вырождения пеголопомных связей.
Исследуемые в первой главе уравнения на самом деле являются частным случаем системы дифференциальных уравнений неразрешенных относительно старших производных. Поэтому во второй главе мы рассматриваем некоторые новые вопросы теории таких систем. Основным результатом второй главы является классификация и геометрическое описание всех типичных локальных особенностей первых интегралов систем, сводящихся к. вообще говоря, неавтономным системам двух неявных уравнений первого порядка относительно двух обобщенных координат.
В заключительном разделе показано, что неявные системы дифференциальных уравнений которые получаются из уравнений Лагранжа при вырожденной кинетической энергии или как в 1 главе, при вырождении линейных связей — не являются общими. Приведены примеры типичных особенностей первых интегралов для таких систем.
Надеемся, что теоретические и прикладные вопросы, рассмотренные в нашей работе, будут полезны для дальнейшего развития взаимодействия новых методов теории систем неявных дифференциальных уравнений и качественных вопросов иеголономной механики.
