Hiizu Nakanishi
2022/2/10
床を転がるコイン
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傾き角
$\theta$ |
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0 度 |
$\phi$ |
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0 度 |
$\psi$ |
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0 度 |
角速度 (単位 $\sqrt{g/a}$)
$\omega_Z$ |
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0 |
$\omega_Y$ |
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0 |
$\omega_X$ |
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0 |
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- 黄色いマークは床とコインの接点です。
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Dissipationを OFFにすると散逸がなくなり、
いつまでも止まらず転がり続けます。
- 散逸のないとき、直立してまっすぐ転がる運動の安定条件は、
$\omega_c\equiv\sqrt{g/3a} \approx 0.577\sqrt{g/a}$として、
- $\displaystyle |\omega_Z| < \omega_c$のとき不安定 :
初期の傾き角$\theta$が少しでもあると、フラフラします。
- $\displaystyle |\omega_Z| \geqq \omega_c$のとき中立:
短時間で見ると一方向に進みますが、
線形の範囲で復元力のないモードがあるので、
初期の傾き$\theta$が小さくても進む方向$\phi$は徐々にずれて、
長時間で見ると軌跡は揺らぎながら大きな円を描きます。
-
数値積分に用いた運動方程式は、
\begin{align*}
\big( I_X + Ma^2 \big) \left({ d\omega_X\over d t}
\textcolor{red}{+\alpha|\dot\psi|\omega_X}\right)
& =
- \big( I_Z +Ma^2\big) \omega_Y\omega_Z {-}I_X \omega_Y^2 \tan {\theta}
{+} Ma^2 {g\over a} \sin {\theta}
\\%--------------
I_X \left( { d\omega_Y\over d t}
\textcolor{red}{+\alpha|\dot\psi|\omega_Y}\right)
& =
{+}I_X\omega_X \omega_Y\tan {\theta} + I_Z\omega_Z \omega_X
\\%--------------
\big( I_Z + Ma^2 \big)\left( { d\omega_Z\over d t}
\textcolor{red}{+\alpha|\dot\psi|\omega_Z}\right)
& =
+ Ma^2 \omega_X \omega_Y
\\%------------------------------
{d\theta\over dt} & = \omega_X
\\
{d\phi\over dt} & = {1\over\cos\theta}\,\omega_Y
\\
{d\psi\over dt} & = \omega_Z + \tan\theta\,\omega_Y
\end{align*}
で、これを4次のルンゲ・クッタ法で数値積分した。
この導出はノートにあります。
赤字で示した項は、現象論的に導入した散逸項で、散逸のない場合は
$\alpha=0$。
円盤・リング・中空円筒の転がり運動
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