Control of the rolling of a dynamically symmetrical sphere on an inclined rotating plane

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The work investigates the rolling dynamics of a dynamically symmetrical heavy sphere (or a heavy spherical shell) along an inclined rough plane (platform) rotating with constant or periodic angular velocity around an axis, which is perpendicular to the plane and passing through some fixed point of this plane. Nonholonomic and holonomic constraints are imposed at the point of contact of the sphere with the reference plane. The equations of motion of the sphere are constructed. In the case of the constant angular velocity of the plane at any slope and in the case of the periodic angular velocity of the plane located horizontally the boundedness of the velocities of the geometric center of the sphere is proved. Moreover, in the case of the constant angular velocity of the plane, solutions are found analytically. Based on numerical integration, it is shown that for the periodic angular velocity of the plane and for the nonzero slope the square of the velocity vector of the geometric center of the sphere increases indefinitely. Two controls for the slope of the plane proportional to the projections of the velocity vector of the sphere on the coordinate axes lying in the reference plane are introduced. In the case of the constant angular velocity of the plane, a qualitative analysis of the equations of motion has been carried out, the control parameters at which the square of the velocity vector of the geometric center of the sphere will be bounded and at which it will be unbounded have been analytically found. The results of this control are presented for the case of periodic angular velocity of the plane. It is shown that by controlling the slope of the plane, it is possible to achieve the boundedness of the square of the velocity vector of the geometric center of the sphere. The obtained results are illustrated, the trajectories of the contact point and graphs of the desired mechanical parameters are constructed.

About the authors

Evgeniya Arifzhanovna Mikishanina

Steklov Mathematical Institute of Russian Academy of Sciences;

ORCID iD: 0000-0003-4408-1888
Scopus Author ID: 57208109286
Russia, 117966, Moscow, Gubkina str., 8

References

  1. Чаплыгин С. А. О катании шара по горизонтальной плоскости // Математический сборник. 1903. Т. 24, № 1. C. 139–168.
  2. Мощук Н. К. О движении шара Чаплыгина на горизонтальной плоскости // Прикладная математика и механика. 1983. Т. 47, вып. 6. C. 916–921.
  3. Kilin A. A. The dynamics of Chaplygin ball: The qualitative and computer analysis // Regular and Chaotic Dynamics. 2002. Vol. 6, iss. 3. P. 291–306. https://doi.org/10.1070/RD2001v006n03ABEH000178, EDN: LGXBPX
  4. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Проблема дрейфа и возвращаемости при качении шара Чаплыгина // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 4. С. 721–754. EDN: SAHBBR
  5. Mikishanina E. A. Dynamics of the Chaplygin sphere with additional constraint // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2023. Vol. 117. Art. 106920. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2022.106920
  6. Borisov A. V., Mikishanina E. A. Dynamics of the Chaplygin ball with variable parameters // Russian Journal of Nonlinear Dynamics. 2020. Vol. 16, iss. 3. P. 453–462. https://doi.org/10.20537/nd200304, EDN: DTQQDK
  7. Борисов А. В., Мамаев И. С., Бизяев И. А. Иерархия динамики при качении твердого тела без проскальзывания и верчения по плоскости и сфере // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 2. С. 141–202. EDN: SAHAOF
  8. Борисов А. В., Мамаев И. С. О движении шара Чаплыгина по наклонной плоскости // Доклады Академии наук. 2006. Т. 406, № 5. С. 620–623. EDN: HSYLNV
  9. Харламова Е. И. Качение шара по наклонной плоскости // Прикладная математика и механика. 1958. Т. 22, вып. 4. С. 504–509.
  10. Bizyaev I. A., Borisov A. V., Mamaev I. S. Dynamics of the Chaplygin ball on a rotating plane // Russian Journal of Mathematical Physics. 2018. Vol. 25. P. 423–433. https://doi.org/10.1134/S1061920818040027, EDN: KKREPJ
  11. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Как управлять шаром Чаплыгина при помощи роторов // Нелинейная динамика. 2012. Т. 8, № 2. С. 289–307. EDN: OYPUBZ
  12. Bolotin S. The problem of optimal control of a Chaplygin ball by internal rotors // Regular and Chaotic Dynamics. 2012. Vol. 17, iss. 6. P. 559–570. https://doi.org/10.1134/S156035471206007X, EDN: RGBYKL
  13. Борисов А. В., Килин А. А., Мамаев И. С. Динамические системы с неинтегрируемыми связями: вакономная механика, субриманова геометрия и неголономная механика // Успехи математических наук. 2017. Т. 72, вып. 5 (437). С. 3–62. https://doi.org/10.4213/rm9783, EDN: ZRSFRR
  14. Борисов А. В., Мамаев И. С., Килин А. А., Бизяев И. А. Избранные задачи неголономной механики. Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2016. 883 с. EDN: YSHXAH

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».