19 votos

Derivación de las ecuaciones de Newton-Euler

Estoy en busca de una versión simplificada de la derivación de Ecuaciones de Newton-Euler (tanto traslacional como rotacional) para un cuerpo rígido (bloque 3D) que tiene un armazón fijo y en el que el centro de masa del cuerpo no está en el centro de gravedad. Puedo encontrar derivaciones elementales para el mismo sistema cuando el centro de masa está en el centro de gravedad, pero no para mi sistema en cuestión.

Estoy utilizando la derivación como investigación de fondo para un proyecto de rotordinámica en el que estoy trabajando.

Cualquier ayuda o referencia será muy apreciada. :)

13voto

Dan Herbert Puntos 38336

Depende de si ya tienes definido el tensor del momento de inercia de la masa o no.

Si sabes que la inercia del cuerpo es $I_{body}$ y la matriz de rotación 3x3 es $E$ entonces el vector momento angular en el centro de gravedad C es

$$ \vec{H}_C = \left( E I_{body} E^\top \right) \vec{\omega} $$

y el vector momento lineal es $$\vec{L} = m \vec{v}_C$$

El tensor del momento de inercia de la masa a lo largo de las coordenadas mundiales en el centro de gravedad es $I_C = E I_{body} E^\top $ que transforma la velocidad de rotación $\vec \omega$ en coordenadas locales, multiplica por $I_{body}$ y transforma los respaldos en coordenadas mundiales.

Ahora las ecuaciones del movimiento sobre el centro de gravedad se definen a partir de que la suma de fuerzas y momentos es igual a la tasa de cambio del momento

$$ \sum \vec{F} = \dot{\vec{L}} $$ $$ \sum \vec{M}_C = \dot{\vec{H}}_C $$

o

$$ \sum \vec{F} = m \vec{a}_C $$ $$ \sum \vec{M}_C = I_C \vec{\alpha} + \vec{\omega} \times I_C \vec{\omega} $$

ya que la derivada temporal del momento angular en un marco giratorio es $\dot{\vec{H}_C} = \frac{\partial \vec{H}_C}{\partial t} + \vec{\omega} \times \vec{H}_C $

Tenga en cuenta que $\dot{\vec{v}} = \vec{a} $ y $\dot{\vec{\omega}} = \vec{\alpha} $ .

Ahora para describir las ecuaciones en un marco A no en C utilizar las siguientes transformaciones (con posición relativa del c.g. $ \vec{c} =\vec{r}_C - \vec{r}_A $ .

$$ \vec{a}_C = \vec{a}_A + \vec{\alpha} \times \vec{c} + \vec{\omega} \times (\vec{\omega} \times \vec{c}) $$

$$ \sum \vec{M}_C = \sum \vec{M}_A - \vec{c} \times \sum \vec{F} $$

Finalmente, las ecuaciones de movimiento de un cuerpo rígido, descrito por una armadura A no en el centro de gravedad C es (bastante desordenado)

$$ \boxed{ \begin{aligned} \sum \vec{F} &= m \vec{a}_A - m \vec{c}\times \vec{\alpha} + m \vec{\omega}\times(\vec{\omega}\times\vec{c}) \\ \sum \vec{M}_A &= I_C \vec{\alpha} + m \vec{c} \times \vec{a}_A - m \vec{c} \times \vec{c} \times \vec{\alpha} +\vec{\omega} \times I_C \vec{\omega} + m \vec{c} \times \left( \vec{\omega} \times (\vec{\omega} \times \vec{c}) \right) \end{aligned} } $$

Por eso se utiliza la notación espacial (busque teoría de tornillos ) para compactar lo anterior en

$$ \sum \bf{f}_A = I_A \bf{a}_A + \bf{p} $$

$$ \begin{pmatrix} \sum \vec{F} \\ \sum \vec{M}_A \end{pmatrix} = \begin{bmatrix} m & -m \vec{c}\times \\ m \vec{c}\times & I_C - m \vec{c}\times \vec{c}\times \end{bmatrix} \begin{pmatrix} \vec{a}_A \\ \vec{\alpha} \end{pmatrix} + \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ \vec{c}\times & 1 \end{bmatrix} \begin{pmatrix} m \vec{\omega}\times(\vec{\omega}\times\vec{c}) \\ \vec{\omega}\times I_C \vec{\omega} \end{pmatrix} $$

Obsérvese que el $0$ y $1$ son matrices de 3x3 y $\vec{c}\times$ es el 3x3 operador de producto cruzado definido por

$$ \vec{ \begin{pmatrix} x\\y\\z \end{pmatrix} }\times = \begin{vmatrix} 0 & -z & y \\ z & 0 & -x \\ -y & x & 0 \end{vmatrix} $$

Ahora la gran matriz 6x6 que multiplica el término de aceleración es la inercia espacial en A . Más información en aquí y aquí .

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X