Sean dos sistemas ortonormalesO x yz
,O′X′y′z′
con un movimiento general (traslación más rotación) entre sí y una partícula puntualPAG
, ver figura.
Convenciones de símbolos:
1.Los vectores de posiciónR
, velocidadtu
y aceleraciónA
de una partícula con respecto aO x yz
expresadas por coordenadas de este mismo sistema se simbolizan con letras mayúsculas en negrita.
2.Los vectores de posiciónr′
, velocidadtu′
y aceleracióna′
de una partícula con respecto aO′X′y′z′
expresadas por coordenadas de este mismo sistema se simbolizan con letras minúsculas acentuadas en negrita.
3.Los vectores de posiciónR′
, velocidadtu′
y aceleraciónA′
de una partícula con respecto aO x yz
expresado por coordenadas del otro sistemaO′X′y′z′
se simbolizan con letras mayúsculas acentuadas en negrita y finalmente
4.Los vectores de posiciónr
, velocidadtu
y aceleracióna
de una partícula con respecto aO′X′y′z′
expresado por coordenadas del otro sistemaO x yz
se simbolizan con letras minúsculas en negrita.
Dado que los dos sistemas son ortonormales, cualquier vector acentuado (mayúsculasV′
o minúsculasv′
) que se expresa conO′X′y′z′
-las coordenadas se pueden expresar conO x yz
-coordenadas a través de una transformación ortonormalS (t)
V = SV′ov = Sv′(01)
con propiedades
SS⊤= yo =S⊤S ,det ( S ) = + 1(02)
Esta transformación representa también la rotación que cuando se aplica al sistema
O x yz
lo pone en coincidencia con
O′X′y′z′
.
PARTE 1: Velocidades
Sea una partícula en movimiento en el puntoPAG
en el momentot
. Su vector de posición relativo aO x yz
esR (t)
y
R ( t ) =R0( t ) + r ( t )(03)
dónde
r (t)
es su vector de posición relativo a
O′X′y′z′
expresado con
O x yz
-coordenadas. También
R0( t )
es el vector de posición del origen
O′
relativo a
O x yz
expresado con
O x yz
-coordenadas. Entonces
R ( t ) =R0( t ) + r ( t ) =R0( t ) + S ( t )r′( t )(04)
Debe notarse que el operador de rotación
S (t)
depende generalmente del tiempo como todas las demás cantidades
R , U , A , r , u , a ,...
De ahora en adelante en todas las ecuaciones dejaremos de lado la dependencia explícita del tiempot
y así la ecuación anterior (04) toma la forma simple
R =R0+ r =R0+ Sr′(05)
También usaremos uno, dos o cualquier número de puntos para expresar las derivadas temporales de primer, segundo o de cualquier orden respectivamente para cualquier cantidad (escalar, vector, matriz, etc.).
Tomando derivadas temporales de la ecuación (05) tenemos
R∙=R∙0+S∙r′+ Sr′∙(06)
Escrito como
tu =tu0+S∙S⊤r + Stu′(07)
o
tu =tu0+S∙S⊤r + tu(08)
donde por definición
tu ≡tu0≡tu′≡tu ≡R∙R∙0r′∙Stu′=velocidad de la partícula relativa a O x yz en el tiempo t=velocidad de origen O′ relativo a O x yz en el tiempo t=velocidad de la partícula relativa a O′X′y′z′ en el tiempo t=como tu′ pero expresado en O x yz-coordenadas
Ahora, analicemos el términoS∙S⊤
en la ecuación (08). Derivando la primera ecuación en (02) tenemos
SS⊤= yo ⇒ S∙S⊤+ S(S⊤)∙= O(09)
pero
(S⊤)∙=(S∙)⊤(10)
entonces
S∙S⊤=−(S∙S⊤)⊤(11)
La siguiente matriz definida
W≡S∙S⊤=matriz antisimétrica(12)
puede ser representado por el vector
Ω
W≡S∙S⊤=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢0+Ω3−Ω2−Ω30+Ω1+Ω2−Ω10⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥=Ω×(13)
Entonces la ecuación (08) se expresa como
tu=tu0+ Ω × r + tu(14)
Tenga en cuenta que
r
y
tu
son la posición y la velocidad relativas al sistema
O′X′y′z′
pero expresado como todos los vectores en la ecuación anterior en
ox _yz
-coordenadas. el vector
Ω
no es otra cosa que la velocidad angular instantánea del sistema
O′X′y′z′
relativo al sistema
ox _yz
. Así que observador
ox _yz
'construye' el vector de velocidad de una partícula
tu
de 3 términos: (1) la velocidad
tu0
debido al movimiento de traslación del sistema
O′X′y′z′
como un todo, (2) la velocidad orbital
Ω × r
debido al movimiento de rotación del sistema
O′X′y′z′
como un todo y (3) la velocidad
tu
de la partícula relativa al sistema
O′X′y′z′
.
tu=tu0O′X′y′z′ traducción+Ω × rdebido a O′X′y′z′ rotación+ tu(15)
PARTE 2: Aceleraciones
Tomando derivadas temporales de la ecuación (06) tenemos
R∙ ∙=R∙ ∙0+ [S∙ ∙r′+S∙r′∙] + [S∙r′∙+ Sr′∙ ∙]=R∙ ∙0+S∙ ∙r′+ 2S∙r′∙+ Sr′∙ ∙=R∙ ∙0+S∙ ∙r′+ 2S∙tu′+ Sa′=A0+S∙ ∙S⊤r +2S∙S⊤tu + un(dieciséis)
y desde
S∙S⊤=W=Ω×
, véase la ecuación (13), tenemos
un =A0+S∙ ∙S⊤r +2( Ω × tu) + un(17)
donde por definición
Un ≡A0≡a′≡un ≡R∙ ∙R∙ ∙0r′∙ ∙Sa′=aceleración de la partícula relativa a O x yz en el tiempo t=aceleración de origen O′ relativo a O xyz en el tiempo t=aceleración de la partícula relativa a O′X′y′z′ en el tiempo t=como a′ pero expresado en O xyz-coordenadas
por el términoS∙ ∙S⊤
tenemos de la ecuación (13)
[ W≡S∙S⊤= Ω× ] ⇒ [ S∙=WS ] ⇒ [ S∙ ∙=WS∙+W∙s ](18)
entonces
S∙ ∙S⊤=W2+W∙(19)
o
S∙ ∙S⊤r=Ω × ( Ω × r ) +Ω∙× r(20)
La ecuación (17) se escribe
un =A0+ Ω × ( Ω × r ) +Ω∙× r + 2( Ω × tu) + un(21)
y reordenando los términos del lado derecho
un =A0+Ω∙× r + Ω × ( Ω × r ) + 2( Ω × tu) + un(22)
Así que observadorox _yz
construye el vector de aceleraciónA
de una partícula de 5 términos: (1) el vector aceleraciónA0
debido al movimiento de traslación del sistemaO′X′y′z′
como un todo, (2) la aceleraciónΩ∙× r
debido a la aceleración angularΩ∙
de la velocidad angular del sistemaO′X′y′z′
en su conjunto, (3) la aceleración centrípetaΩ × ( Ω × r )
, (4) la aceleración2( Ω × tu)
que está relacionado con la llamada fuerza de inercia de Coriolis y (5) la aceleracióna
de la partícula relativa al sistemaO′X′y′z′
.
un =A0+Ω∙× r +Ω × ( Ω × r )Centrípeto+2( Ω × tu)-Coriolis+ un(23)
PARTE 3: Ejemplo
Para la configuración de la figura anterior tenemos la siguiente matriz de rotación
S (t)=⎡⎣⎢porqueθpecadoθ0− pecadoθporqueθ0001⎤⎦⎥(24)
entonces
S∙=θ∙⎡⎣⎢− pecadoθporqueθ0− porqueθ− pecadoθ0000⎤⎦⎥(25)
y
W ≡S∙S⊤=θ∙⎡⎣⎢− pecadoθporqueθ0− porqueθ− pecadoθ0000⎤⎦⎥⎡⎣⎢porqueθ− pecadoθ0pecadoθporqueθ0001⎤⎦⎥=θ∙⎡⎣⎢0+ 10− 100000⎤⎦⎥= (θ∙k ) ×=Ω×(26)
eso es
Ω =θ∙k =θ∙⎡⎣⎢001⎤⎦⎥(27)
Juan Alexiou