R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
D IONIGI G ALLETTO
Sul vettore caratteristico della rotazione nei moti rigidi
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 40 (1968), p. 205-218
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DELLA ROTAZIONE NEI MOTI RIGIDI
DIONIGI GALLETTO
*)
1.
Premessa.
In meccanica l’orientamento di una terna mobile
rispetto
adun~altra viene di solito fissato tramite l’uso
degli angoli
di Eulero.L’uso di tali
angoli,
se da un latopuò presentare
notevolivantaggi
di
semplicità 1),
dall’altropresenta
losvantaggio
che essi non hannocarattere
intrinseco,
nel sensoche,
se alla terna mobile se ne sosti-tuisce nu’altra ad essa
solidale,
i nuoviangoli
di Eulero che indi- viduano l’orientamento diquesta
non sonolegati
aiprecedenti
darelazioni del
tipo
diquelle
che caratterizzanogli oggetti geometrici, quali
sono, adesempio,
i vettori.Può
quindi
essereutile,
avolte, precisare
l’orientamento della terna mobilericorrendo,
invece cheagli angoli
diEulero,
ad un con-veniente
vettore, quale può
esserequello,
bennoto,
denominatovettore caratteristico della
rotazione, considerato,
ad es., in[2]
(pp. 56,
75 esegg.)
e in[1]
e che viene quaripreso,
modificandoneopportunamente
la definizione.") Lavoro eseguito nell’ambito del gruppo di ricerca n. 7 del Comitato per la matematica del C. N. R.
Indirizzo dell’A.: Seminario Matematico, Università, Padova.
1) Si vedano, ad es., le espressioni che forniscono le componenti della velo- cità angolare rispetto a nna qualunque delle due terne in funzione degli angoli
di Bulero e delle loro derivate.
La velocità
angolare
del sistemarigido
solidale alla terna mobile espressa in termini di esso, è data da2)
dove con q si è
appunto
indicato tale vettore. In(1), naturalmente,
con q è da intendersi il derivato
rispetto
altempo
di q relativo alla terna fissa.L’espressione
di c~ in cui compare, inluogo
di q, il derivatoq’
relativo alla terna mobile è datainvece,
come si pro-verà,
daDa
questa,
come sivedrà,
si deduceagevolmente
che le compo- nenti di corispetto
alla terna mobile coincidono con le omonimecomponenti rispetto
alla terna fissa del vettoreQuest’ultima relazione,
tenendopresente
la dettaproprietà
di00,
può
essere utile3) (essa,
adesempio,
combinata con(1), permette
immediatamente di escludere lapossibilità
di un motorigido
in cuile
componenti
della velocitàangolare rispetto agli
assi fissi siano leopposte
diquelle rispetto agli
assisolidali),
fra l’altroperchè,
unavolta determinate
(ad
es., in unproblema dinamico,
tramite le equa- zioni diEulero)
lecomponenti
di 00rispetto
alla ternamobile,
da essa, o, il che è lostesso,
da(2),
segue il sistema diequazioni
dif-ferenziali che ha per funzioni
incognite
lecomponenti 4)
del vettore q e checorrisponde
aquello
usuale chelega gli angoli
di Euleroalle suddette
componenti
di (o.2) Cfr.
[1 J, ~
1. In (1), come nel seguito, il prodotto vettoriale viene indicatocon il simbolo x. Il prodotto scalare verrà invece indicato con nn punto.
3) Cfr. anche
[2],
4.4) Non si precisa di quali componenti di q si tratta in quanto detto vettore
ha, sia rispetto alla terna fissa che rispetto alla terna mobile, le medesime com-
ponenti.
A
proposito
di dettosistema,
stabilito nelpresente lavoro,
siosserva
poi
che èplausibile
lapresunzione
che 1’esistenza e l’unicità delle soluzioni sussista ingrande.
Ciòequivale
allapresunzione
cheesso
permetta
di determinare l’orientamento della terra mobile adogni
istante dell’intervallo ove si considera ilmoto,
una volta chesia
assegnato
l’orientamento della terna nell’istante iniziale.Accanto al vettore tl, nel
presente
lavoro si introduce infine un secondo vettorecaratteristico, che,
a differenza delprecedente,
èdefinito e continuo in tutto l’intervallo ove si considera il
moto,
esi estendono ad esso i risultati visti per q.
2. vettore
caratteristico
dellarotazione.
Siano xi e xi’ due terne cartesiane
trirettangole levogire,
laseconda solidale a un sistema
rigido
mobilerispetto
allo,prima,
terneche si riterranno fissate una volta per tutte.
È
ovvioche,
senza venir meno allageneralità,
per lo studiodelle
proprietà
della velocitàangolare
e per la determinazione dellesue varie
espressioni
ecc., sipuò
ritenere che il sistemarigido
mo-bile ammetta un
punto fisso, 0,
e che dettopunto
sia la comuneorigine
delle due terne xi e xt’.È
inoltre ovvio che in tuttoquanto
segue si suppone che il moto ovvenga con
regolarità.
Ciò premesso, sia a l’asse della rotazione R che
permette
dipassare dalla
posizione
C del sistemarigido
in cui le due terne risultanosovrapposte J)
allaposizione
attuale C’(posizione
all’istantet).
Su tale asse si fissi il versore u(t)
in modo tale che risulti com-presa fra 0
l’ampiezza X (t)
della rotazione chepermette
di pas-sare da C a
C’,
misurata in sensolevogiro rispetto
a u(t).
È
evidente che il moto del sistemarigido
individua univoca- mente la funzione vettoriale6)
5) Naturalmeiite pnò benissimo accadere che durante il moto il sistema
rigido non assuma affatto tale posizione.
6) È evidente che per detta funzione può esistere un insieme discreto di valori di t per cui essa non è definita (valori per i quali è X (t) _ n). In corri-
Ma,
comeagevolmente
sipuò constatare,
e come ènaturale,
vale anche il
viceversa,
nel sensoche, assegnata
la funzione vetto-riale q
(t)
continua in un dato intervallo ad eccezione di un eventuale insieme discreto di valori incorrispondenza
aiquali
essadiverge,
esiste uno ed un solo moto del sistema
rigido
attorno alpunto
fisso 0 la cui funzione individuata da(4)
coincide conl’assegnata
funzionevettoriale.
Ed
infatti,
perogni
valore di t per cuiRassegnata
funzione èdefinita,
risultano univocamente individuati il versore u(t)
el’angolo
X
(t)
= 2aretg q (t) 7),
ossia laposizione C’,
ecc. Perquei
valori di tin
corrispondenza
aiquali
q(t) diverge
laposizione
del sistema si ottiene mediante unprocedimento
dipassaggio
al limite.*
* *
Come
già
si èosservato,
le due funzioni ii(t)
e X(t)
imgenerale presentano
delle discontinuità. A tale inconvenienteperò
sipuò
ov-viare sostituendo sull’asse a a n
(t)
il versore n(t),
definito mediantela condizione di essere continuo sempre e di coincidere con u nel- l’istante iniziale del
moto,
e a Z(t) l’angolo X (t)
di cui il sistema deve ruotare attornoad a,,
ed in sensolevogiro rispetto
a 11(t),
per passare da C a C’8).
In base a taleconvenzione, 1’angolo x (t)
risultasempre non
negativo
epuò quindi presentare
ancora una disconti- nuità(di prima specie,
con saltouguale
a2~) quando
ilsistema,
durante il
moto,
passa per laposizione
C e X(t)
si annulla in cor-rispondenza (si tenga presente
che il sistema occupa laposizione
Cnon solo
quando è X
=0,
ma anchequando è X
= con k _--
1, 2, ... ).
Tale discontinuità risultaperò
eliminabile non appena si convenga dipermettere
a x di assumere anche valorinegativi,
valori che
corrisponderanno
a misure(e quindi
arotazioni)
efiéttuate8pondenzM ad essi u (t) e X Ct) in generale presenteranno delle discontinuità. Inoltre t1 (t) presenta generalmente nna fiisrontinnità in corrispendenza a ogni valore
di t per cui è x ( t) - 0.
7) È ovvio che q (t) è il modulo di i q (t).
8) Natnralmeiite nella definizione della funzione x ~t) ora data è implicito
ohe essa può benissímo assumere valori snperiori a 2a, per motivi di continuità.
in senso
destrogiro rispetto
a u(t),
funzione vettorialeche,
a norma didefinizione,
è sempre continua.È
evidenteche,
accanto a(4),
si ha pureed in
proposito
è anche il caso di osservareche,
una voltaassegnata
la funzione q
(t),
risultano individuate nonsolo x (t) e
u(t),
ma ancheX(t) e u(t).
Ed infatti la conoscenza di q
(t) cietermina,
comegià visto,
il moto del sistemarigido
e la conoscenza diquesto
e di u all’istante iniziale del moto a sua volta determina univocamente u(t)
e X(t).
*
* *
Al vettore q
(t), già considerato,
nella definizione data da(3),
da vari
autori 9),
vieneassegnata
la denominazione di vettore ristico dellaQua
si è voluto richiamarne la definizione per porre in rilievo il fatto che alle due funzioni u(t)
e y(t)
si possono sostituirerispettivamente
le funzioni u(t) e x (t)
senza che dettovettore cambi. Si è inoltre voluto porre in rilievo la
proprietà
cheesso ha di caratterizzare il moto di un sistema
rigido
con unpunto
fissoperchè
di essa si farà uso inseguito.
Il ruolo svolto dal vettore
q (t)
è sostanzialmente identico aquello
svoltodagli angoli
di Eulero e la considerazione diq (t)
inluogo
diquesti
ultimipuò presentare
a volte deivantaggi,
stanteil carattere vettoriale di esso.
3. Alcune
espressioni per
lavelocità angolare.
Il vettore q che compare nella relazione
(1) 1°) rappresenta,
comegià
si èdetto,
il derivatorispetto
altempo
del vettore q relativo9) Cfr., ad es.,
[3],
1, 11, 20, 24, 25, 26,...; (1] ~ eco.10) Una semplice deduzione di (1), senza intervento del calcolo omografico,
è la seguente.
Indicati con
ki’
i versori della terna mobile e conkiil
le loro componential riferimento fisso xi ed ha per
componenti rispetto
aquesto
lequantità qi ===-"-,
Accanto aq
sipuò
considerare il vettoreq’,
dt
derivato di q
rispetto
al riferimento mobile che ha percomponenti rispetto
aquesto
lequantità q’i’ = dqi’ -,
y lequali,
ovvia-rispetto alla terna fissa, dalla ben nota formula (dove, come al solito, si è soppresso il simbolo di sommatoria rispetto agli indici ripetuti) si lia
dove con si sono indicate le componenti del tensore di Ricci (rispetto al
riferimento
Siano poi P e P’ le posizioni in C e C’ di nn punto solidale al sistema mobile,. Indicati i vettori OP e OP’ rispettivamente con r e r’, risulta, con evi-
dente significato dei simboli
r’ = ri’
ossia da cui, tenendo pre- sente che lecomponenti ri’
di r’ , rispetto alriferimento xi’
coincidono con le omonimeoomponenti r2
i di r rispetto al riferimentox’’ : ~~’2~ ~ c~2~ )’B
si ottieneD’altra parte risulta (cfr., ad es., [4], 111, 6 ;
[5],
10 ; ecc.)da cui, passando alle componenti e raffrontando le relazioni che cos si otten- gono oon (b), si deduce che l’espressione di
kiil in
funzione di X e di u è data daDa questa, ricordando le espressioni di sin x e cos x in funzione di
tg X
2 e ladefinizione (4) di q, si ottiene
da eni, applioando (a), segne senza difcoltà la relazione (1).
mente,
differiscono dallecomponenti
di qrispetto
a tale riferi-mento e che con
queste perciò
non vanno confuse.Ciò premesso, la via
più semplice
epiù rapida
perpervenire
a una
espressione
di (o in cuicompaia,
invece del derivato q, il derivatoq’
èquella
di considerare il motorispetto
al riferimento xi’ del sistemarigido
costituito dallospazio
solidale al riferimento ri .È
ovvio che in tale moto il vettore q è sostituito dal vettoreq = -
q, co ro eq
dal vettoreq
=q’,
ossia dal vet-tore che
rispetto
al riferimento xi’ ha percomponenti
lequantità
La relazione
( 1 )
incorrispondenza
a tale moto si scrivee da
questa
si deduce immediatamente la relazionecercata
ossia(2).
Daquesta, proiettando sugli
assixi’ ,
seguono subito leseguenti espressioni
per lecomponenti coi’
di (orispetto
al riferimento mobile(componenti
che abitualmente vengono indicate con ~, q,-):
dove,
come alsolito,
con si sono indicate lecomponenti
deltensore di Ricci.
*
* *
Il vettore q, essendo
parallelo all’asse a,
ha lecomponenti rispetto
alla terna xi’ coincidenti con le omonimecomponenti rispetto
alla terna xi :
11) Il legame fra q e
q’
essendo espresso da q =q’
+ o x q, une altro fra i vari modi per pervenire alla cercata espressione di quello di sostituire il suddetto legame in (1), eco.e si ha
quindi
ossia le
componenti
del vettoreq’ rispetto
alla terna Xi’ coincidonocon le omonime
componenti
del vettore qrispetto
alla terna xi.Da
(5)
si deduceperciò
relazioni
esprimenti
lecomponenti
di (orispetto
alla terna mobile in funzione dellecomponenti
di q e qrispetto
alla terna fissa.Pertanto,
introdotto il vettore ro definito da(3),
si ha da(8) che,
conformemente a
quanto
si erapreannunciato,
lecomponenti
di (orispetto
alla terna mobile xi’ coincidono con le omonimecomponenti
di co
rispetto
alla terna fissa ossia èDetto risultato
precisa
ilsignificato
di au : esso è ilcorrispon-
dente nella
posizione
C del vettore si hacioè,
con evidentesignificato
deisimboli,
relazione
analoga
allache è conseguenza di
(7).
Sostituendo
(6), (7)
nelle relazioni che siottengono proiettando (1) sugli
assifissi,
si hapoi
ossia le
componenti
del vettore wrispetto
alla terna fissa coincidonocon le omonime
componenti
del vettorerispetto
alla ternamobile,
risultato d’altraparte
ormai ovvio.Dal confronto delle relazioni
(8)
con leanaloghe
ottenuteproiet-
tando la(1) sugli
assi fissi(o,
il che è lostesso,
dal confronto di(10)
con(~)),
siottengono
le relazionile
quali
mettono in evidenza illegame
tra lecomponenti
della ve.locità
angolare
nei due riferimenti fisso e mobile.Da
(11),
fral’altro,
segue immediatamente che non èpossibile
un moto
rigido
in cui lecomponenti
della velocitàangolare rispetto
alla terna tissa siano le
opposte
diquelle rispetto
alla terna mobile.4.
Sulla
deduzione diq (t)
dalO (t).
Moltiplicando
vettorialmente ambo i membri di(3)
per q e sostituendo nella relazione che cos si ottiene leespressioni
di q.qe di q X q dedotte dalla
(3) stessa,
si ricavarelazione
esprimente
q in funzione di W e q.Analogamente,
da(2)
si ottiene
Proiettando
(12) sugli
assifissi,
o, il che è lostesso, (13) sugli
assi
mobili,
siottengono
le relazionile
quali)
note che siano lecomponenti
di corispetto
al riferimento solidale(che, ovviamente,
si supporrannocontinue), rappresentano
un sistema di
equazioni
differenziali ordinarie e in forma normale in cui le funzioniincognite
sono lecomponenti
del vettore q, si- stema per cui risultano verificate le condizioni del teorema di esi- stenza e di unicità nell’enunciato diCauchy.
Pertanto,
una volta determinate(ad
es., in unproblema
dinami-co, tramite le
equazioni
diEulero)
lecomponenti
di curispetto
allaterna
xi’ , l’integrazione
del sistema(14) individua, assegnata
che siala
posizione
iniziale del sistemamobile,
laposizione attuale,
almenoentro intervalli di
tempo
nontroppo
estesi(intervalli
ove q risultalimitato).
Come
già
si èdetto,
il sistema(16)
soddisfa alle condizioni del teorema di esistenza e di unicità inpiccolo.
Essoperò
non soddisfaalle condizioni del teorema di esistenza e di unicità in
grande,
inquanto,
fissato l’intervallo ditempo
I diestremi ta
e b(b
>to)
ovesi considera il
moto, nell’iperstrato
le derivate
parziali prime rispetto a q~
delle funzioni che costitui-scono i secondi membri delle
equazioni (14)
non sono limitate.Nonostante
ciò,
sipuò
presumereche,
fissata la condizione ini- zialeesista una soluzione del sistema
(14)
che soddisfa a detta condizione ed è definita in tuttol’intervallo I,
ad eccezione di un eventuale insieme discretodi
valori incorrispondenza
aiquali
essa di-verge.
Ed
infatti,
per il teorema di esistenza e di unicità inpiccolo,
esiste una ed una sola soluzione
(t)
di(14),
definita in un con-veniente intorno
destro, I1 , di to
e soddisfacente a(15),
ossia aqi t~) =
qo .Se accade che l’intervallo I è contenuto la suddetta pre- sunzione risulta ovviamente
provata.
Si suppongaquindi
che nonaccada detta evenienza e
sia t1
un valore di t scelto inI1
e inprossimità
del suo estremosuperiore e1 .
Si assuma ora come istante
iniziale t1
e comeposizione
di rife-rimento non
più C,
bens laposizione Ci
del sistemaall’istante ti .
La terna fissa xi andrà
quindi
sostituita con laposizione
assuntaall’istante t1
dalla terna mobile.Ciò premesso, esiste una ed una sola soluzione
q2 (t)
del sistema( 14) 12),
definita in un conveniente intornodestro, Iz ,
dit,
e soddi-sfacente alla condizione iniziale
equivalente
alla condizione cheall’istante ti
il sistemarigido
sitrovi
proprio
nellaposizione Ci .
Potendosiscegliere ti prossimo quanto
si vuole a e1 , sipuò
ritenere cheI2’
almenoper ti
suf-ficientemente
prossimo
a e1’contenga punti
di .~ che nonapparten-
gono a
Ii-
Si supponga in un
primo tempo
che I sia contenuto nell’unioneI1 u I2
diI,
conI2
e si indichi conIt, (t)
la rotazione cheporta
il sistema
rigido
da C aC, (alla quale corrisponde
il vettore q1e con
R2 (t)
la rotazioneche, supposto
t EI2 , porta
il sistemarigido
dalla
posizione Ci
allaposizione
da esso assunta all’istante t(alla quale corrisponde
il vettoreq2 (t)).
In tal caso la funzione q(t)
chenell’intervallo di
estremi t0 , t1
coincide con q,(t)
e inI2
con ilvettore della rotazione
prodotto
diR2
conR,1 (t) 13)
è soluzione12) Naturalmente il fatto che si cambi posizione di riferimento non altera afiatto il sistema (14), in quanto in esso oompaiono le componenti di co rispetto
alla terna solidale al sistema rigido mobile, terna che rimane immutata.
13) Una nota formula (cfr., ad es.,
[3]~
I, 11) insegna a costruire detto vet- tore, una volta noti qi (ti) e q2 (t). Essa è data daDa tale formula si vede che q diverge in quei punti (eventuali) di
12
in corri- spondenza ai quali risulta qi (ti).q2 (t) = 1.del sistema
(14) i~),
soddisfa alla condizione iniziale(15)
e, per il moto stesso con cui è statacostruita,
è evidentementeunica 15).
Nel caso in cui I non
appartenga
aIl U Iz,
sisceglierà t2
inI2
e inprossimità
del suo estremosuperiore,
ecc., risultando ormai ovvio come si deveprocedere.
È
chiaroquali
siano iproblemi
analiticiaperti
connessi aduna effettiva dimostrazione della
presunzione supposta
come vera.*
* *
Nell’eventualità che siano note le
componenti
di wrispetto
alriferimento
fisso,
il sistema diequazioni
differenziali determinante il vettore q segue, in modo ormaiovvio,
da(1).
Come
già
si èdetto,
il sistema(14) corrisponde
aquello
usualeche
permette
di determinaregli angoli
di Eulero una volta note lecomponenti
della velocitàangolare rispetto
alla terna mobile.5. Un
secondo
vettorecaratteristico
della rotazione.Accanto al vettore
q (t)
sipuò
considerare ilvettore x(t)
defi-nito da
e per il
quale
risultai6)
14) Per provare tale asserto è sufficiente tener presente che
1°) il moto oorrispondente alla funzione
q (t)
è ottenuto tramite soluzioni di (14), e quindi ha la velooità angolare ohe coincide oon qnella che compare in detto sistema ;2°) che questo si ottietie dalla relazione
(2).
Scritta quest’ultima con q (t) ed esplicitando tl’ , si deduce ohe q (t) soddisfa a (13), ossia 1’aeserto, 15) Risultando unico il moto individnato nell’intervallo di estremi io, ti da q, (t) e in 12 da q2 (t), è suficiente ricordare il teorema dimostrato al n. 2 peravere 1’assertu.
1°) All’espressione (17) si pnò pervenire applicando le relazioni (d) e (a)
della nota 9), oppure, più semplicemente, partendo da (1) e tenendo presente
x
che, stante
(4’)
e (16), risulta q =tg X x.
2 xdove,
come subito sipuò constatare,
di X è necessaria solo la cono- scenza del suo valoreassoluto,
che coincide con il modulo di ~.A differenza di
(1), l’espressione (17)
hasignificato
perogni
valore di
Z #
0.L’espressione
di caper X
= 0 sipnò
ottenere da(17)
mediante unpassaggio
allimite,
ed è data dacon evidente
significato
dei simboli.Per brevità si tralascia di scrivere
l’espressione
di (o in fun.-zione di x e di x’
dove quest’ultimo
è il vettore che ha per compo- nentirispetto
al riferimento x2’ lequantità
x’i’= dx e l’espi-essio-
dt )
ne di co in funzione di x e di x’.
Quest’ultima
è data dal secondo membro di(17)
nelquale
si sostituisca alprodotto x x x l’opposto.
Sostituendo
poi
in essa a x il vettorex’,
si ottienel’espressione
di toin funzione di x e di x’.
Infine,
se inluogo
del vettore x si introduce il vettore x, definito da(vettore che,
a differenza delprecedente presenta
ingenerale
dellediscontinuità), 17espressione
di co che si ottiene incorrispondenza
ad esso
è, ovviamente,
in tuttoanaloga
a(17),
ecc.BIBLIOGRAFIA
[1]
G. FERRARESE : Sulla velocità angolure nei moti rigidi e la rotazione locale nelledeformazioni finite, Rend. di Mat. e delle sue Appl., S. V, Vol. XVIII (1959), pp. 169-177.
[2]
D. GALLETTO : Alcuni teoremi di cinematica dei sistemi rigidi, Rend. Sem. Mat.Univ. di Padova, questo stesso volume.
[3]
A. SIGNORINI: Transformazioni termoelastiche finite (Mem.1a),
Ann. di Mat ,S. IV, Vol. XXII (1943), pp. 33-143.
[4] A. SIGNORINI : Meccanica razionale con elementi di statica grafica, Vol. I, 2a Ed., Ronia, Perrella (1952).
[5]
J. L. SYNGE : Classical Dynamics, Handbuch der Physik, Vol.III/1,
Berlin, Springer-Verlag, 1960.Manoscritto pervenuto in redazione il 13-2-68.