C4. Cinemàtica del sòlid rígid

De Mecànica

[math]\displaystyle{ \newcommand{\uvec}{\overline{\textbf{u}}} \newcommand{\vvec}{\overline{\textbf{v}}} \newcommand{\evec}{\overline{\textbf{e}}} \newcommand{\Omegavec}{\overline{\mathbf{\Omega}}} \newcommand{\velang}[2]{\Omegavec^{\textrm{#1}}_{\textrm{#2}}} \newcommand{\Alfavec}{\overline{\mathbf{\alpha}}} \newcommand{\accang}[2]{\Alfavec^{\textrm{#1}}_{\textrm{#2}}} \newcommand{\ds}{\textrm{d}} \newcommand{\ts}{\textrm{t}} \newcommand{\us}{\textrm{u}} \newcommand{\vs}{\textrm{v}} \newcommand{\Rs}{\textrm{R}} \newcommand{\Ts}{\textrm{T}} \newcommand{\Ls}{\textrm{L}} \newcommand{\Bs}{\textrm{B}} \newcommand{\es}{\textrm{e}} \newcommand{\is}{\textrm{i}} \newcommand{\rs}{\textrm{r}} \newcommand{\Os}{\textbf{O}} \newcommand{\Cs}{\textbf{C}} \newcommand{\Js}{\textbf{J}} \newcommand{\Or}{\Os_\Rs} \newcommand{\Qs}{\textbf{Q}} \newcommand{\Cs}{\textbf{C}} \newcommand{\Gs}{\textbf{G}} \newcommand{\Cbf}{\textbf{C}} \newcommand{\Ps}{\textbf{P}} \newcommand{\Ss}{\textbf{S}} \newcommand{\Is}{\textbf{I}} \newcommand{\deg}{^\textsf{o}} \newcommand{\xs}{\textsf{x}} \newcommand{\ys}{\textsf{y}} \newcommand{\zs}{\textsf{z}} \newcommand{\dert}[2]{\left.\frac{\ds{#1}}{\ds\ts}\right]_{\textrm{#2}}} \newcommand{\ddert}[2]{\left.\frac{\ds^2{#1}}{\ds\ts^2}\right]_{\textrm{#2}}} \newcommand{\vec}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\vecbf}[1]{\overline{\textbf{#1}}} \newcommand{\OQvec}{\vec{\Os\Qs}} \newcommand{\CPvec}{\vec{\Cs\Ps}} \newcommand{\CJvec}{\vec{\Cs\Js}} \newcommand{\QPvec}{\vec{\Qs\Ps}} \newcommand{\OPvec}{\vec{\Os\Ps}} \newcommand{\JCvec}{\vec{\Js\Cs}} \newcommand{\JQvec}{\vec{\Js\Qs}} \newcommand{\PQvec}{\vec{\Ps\Qs}} \newcommand{\OGvec}{\vec{\Os\Gs}} \newcommand{\OQrelvec}{\vec{\Os_{\textrm{REL}}\Qs}} \newcommand{\abs}[1]{\left|{#1}\right|} \newcommand{\braq}[2]{\left\{{#1}\right\}_{\textrm{#2}}} \newcommand{\braqII}[1]{\left.{#1}\right]_{||\QPvec}} \newcommand{\braqL}[1]{\left.{#1}\right]_{\perp\QPvec}} \newcommand{\vector}[3]{ \begin{Bmatrix} {#1}\\ {#2}\\ {#3} \end{Bmatrix}} \newcommand{\vecdosd}[2]{ \begin{Bmatrix} {#1}\\ {#2} \end{Bmatrix}} \newcommand{\vel}[2]{\vvec_{\textrm{#2}} (\textbf{#1})} \newcommand{\acc}[2]{\vecbf{a}_{\textrm{#2}} (\textbf{#1})} \newcommand{\accs}[2]{\vecbf{a}_{\textrm{#2}}^{\textrm{s}} (\textbf{#1})} \newcommand{\accn}[2]{\vecbf{a}_{\textrm{#2}}^{\textrm{n}} (\textbf{#1})} \newcommand{\velo}[1]{\vvec_{\textrm{#1}}} \newcommand{\accso}[1]{\vecbf{a}_{\textrm{#1}}^{\textrm{s}}} \newcommand{\accno}[1]{\vecbf{a}_{\textrm{#1}}^{\textrm{n}}} \newcommand{\re}[2]{\Re_{\textrm{#2}}(\textbf{#1})} \newcommand{\Orel}{\Os_{\textrm{REL}}} \newcommand{\omeg}[2]{\vec{\mathbf{\Omega}}^{\textrm{#1}}_{\textrm{#2}}} \newcommand{\psio}{\dpsi_0} \newcommand{\dth}{\dot{\theta}} \newcommand{\ddth}{\ddot{\theta}} \newcommand{\dpsi}{\dot{\psi}} \newcommand{\ddpsi}{\ddot{\psi}} \newcommand{\stheta}{\text{sin}\theta} \newcommand{\ctheta}{\text{cos}\theta} }[/math]

El sòlid rígid es defineix com a un conjunt de punts que mantenen constants les distàncies entre ells. Això fa que els moviments dels punts d’un mateix sòlid, tot i poder ser diferents, estiguin relacionats (Figura C4.1).

C4-1-cat,eng.png
Figura C4.1 Velocitats de punts d’un mateix sòlid per a dos moviments diferents

La constància de la distàncies entre qualsevol parella de punts [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] d’un mateix sòlid S fa que, per a un moviment general de S, les seves velocitats hagin de tenir la mateixa component en la direcció [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math], tot i que poden tenir components diferents en la direcció perpendicular a [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] (Figura C4.2): [math]\displaystyle{ \braqII{\vel{P}{R}}=\braqII{\vel{Q}{R}} }[/math].

Si no fos així, els punts s’aproparien [math]\displaystyle{ \left(\braqII{\vel{P}{R}}\lt \braqII{\vel{Q}{R}}\right) }[/math] o es separarien [math]\displaystyle{ \left(\braqII{\vel{P}{R}}\gt \braqII{\vel{Q}{R}}\right) }[/math]. Aquesta propietat s’anomena equiprojectivitat.

C4-2-cat.png
Figura C4.2 Equiprojectivitat per a un moviment general de dos punts d’un mateix sòlid

Aquesta unitat presenta les relacions entre velocitats i acceleracions de diferents punts d’un mateix sòlid (equacions de distribució de velocitats i acceleracions), i explora la geometria de la distribució de velocitats. La de la distribució d’acceleracions no resulta senzilla ni útil, i per tant no s’inclou.




C4.1 Distribució de velocitats

L’equació que relaciona la velocitat de dos punts [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] d’un mateix sòlid rígid S (Figura C4.2) és:

[math]\displaystyle{ \vel{P}{R}=\vel{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\QPvec }[/math]

Es tracta d’una equació que implica operacions instantànies entre vectors, i per tant un mètode per obtenir [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] més senzill que la derivació. Si la configuració en la que es realitzen les operacions és genèrica, el resultat és vàlid per a tot instant de temps. Ja que la referència R pot ser qualsevol, a partir d’ara se suprimirà el subíndex un cop s’hagi identificat clarament la referència d’estudi.

C4-3-neut.png
Figura C4.3 Informació necessària per al càlcul de la distribució de velocitats en un sòlid rígid.
💭 Demostració ➕

La velocitat [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] es pot obtenir per derivació d’un vector de posició:
[math]\displaystyle{ \vel{P}{R}=\dert{\overline{\textbf{O}_\textrm{R} \textbf{P}}}{R}=\dert{\overline{\textbf{O}_\textrm{R} \textbf{Q}}}{R}+\dert{\QPvec}{R}=\vel{Q}{R}+\dert{\QPvec}{R} }[/math]
El valor de [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] és constant perquè, en pertànyer a un mateix sòlid rígid, els dos punts mantenen la distància entre ells. Pel que fa a la direcció, en ser [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] un vector fix al sòlid, el seu ritme de canvi d’orientació respecte de R [math]\displaystyle{ \left(\velang{$\QPvec$}{R}\right) }[/math] és el mateix que el del sòlid: [math]\displaystyle{ \velang{$\QPvec$}{R}=\velang{S}{R} }[/math]. Per tant:
[math]\displaystyle{ \dert{\QPvec}{R}=\velang{S}{R}\times\QPvec\Rightarrow\vel{P}{R}=\vel{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\QPvec }[/math]


L’equació de velocitats mostra que, per conèixer la velocitat de qualsevol punt d’un sòlid rígid, es suficient conèixer la velocitat d’un dels seus punts [math]\displaystyle{ \left(\vel{Q}{}\right) }[/math] i la seva velocitat angular [math]\displaystyle{ \left(\velang{s}{}\right) }[/math]. En el cas més general (sòlid movent-se a l’espai sense restriccions), aquesta informació consisteix en sis quantitats escalars independents (6 GL) que cal donar com a dades del problema. Quan el sòlid està sotmès a enllaços (i per tant té menys de 6 GL), aquestes dues velocitats es poden deduir a partir de les restriccions cinemàtiques associades.


La propietat d’equiprojectivitat mostrada a la Figura C4.2 es pot demostrar a partir de l’equació de distribució de velocitats. Tant [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] com [math]\displaystyle{ \vel{Q}{R} }[/math] es poden descompondre en dues components, una paral·lela a [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] i l’altre perpendicular a [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math]:

[math]\displaystyle{ \vel{P}{R}=\vel{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\QPvec\Rightarrow\braqII{\vel{P}{R}}+\braqL{\vel{P}{R}}=\braqII{\vel{Q}{R}}+\braqL{\vel{Q}{R}}+\velang{S}{R}\times\QPvec }[/math]

El terme [math]\displaystyle{ \velang{S}{R}\times\QPvec }[/math] és perpendicular a [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] sempre ja que és un producte vectorial on apareix [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math]. Per tant:

  • [math]\displaystyle{ \braqII{\vel{P}{R}}=\braqII{\vel{Q}{R}}\Leftrightarrow }[/math] components [math]\displaystyle{ ||\QPvec }[/math] iguals,
  • [math]\displaystyle{ \braqL{\vel{P}{R}}=\braqL{\vel{Q}{R}}+\velang{S}{R}\times\QPvec\Leftrightarrow }[/math] components [math]\displaystyle{ \perp\QPvec }[/math] diferents en principi.

✏️ Exemple C4-1.1: roda sobre suport giratori


C4-Ex1-1-1-cat.png
El suport està articulat al terra, i la roda està articulada al suport. Per causa d’aquests enllaços, el suport només pot tenir un moviment de rotació simple respecte del terra (T), i la roda només pot tenir una rotació simple respecte del suport. La velocitat angular de la roda respecte del terra és la superposició d’aquestes dues rotacions, que corresponen a una primera i una segona rotació d’Euler.
Per causa dels enllaços, el moviment del centre [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] de la roda respecte del terra és circular de radi r al voltant d’un eix vertical. La seva velocitat respecte del terra és immediata, de valor [math]\displaystyle{ r\dot\psi_0 }[/math].
La velocitat de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] respecte del terra per a l’instant que es mostra a la figura es pot obtenir a partir de l’equació de velocitats per a la roda:
[math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vel{Q}{}+\vec{\Omega}\times\QPvec=(\otimes\;\;r\dot\psi_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\;\dot\theta_0)\times(\rightarrow r)=(\otimes\;\;r\dot\psi_0)+(\otimes\;\;\dot\psi_0)+(\uparrow r\dot\theta_0)=(\otimes\;\;2r\dot\psi_0)+(\uparrow r\dot\theta_0) }[/math]
C4-Ex1-1-2-cat.png
Tot i que els vectors [math]\displaystyle{ \vel{Q}{} }[/math] i [math]\displaystyle{ \velang{}{} }[/math] que apareixen a l’equació són vàlids per a qualsevol instant de temps, el resultat obtingut per a [math]\displaystyle{ \vel{P}{} }[/math] no ho és perquè el vector [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] no és sempre perpendicular a [math]\displaystyle{ \velang{}{} }[/math].
Per exemple, en un instant posterior en el qual [math]\displaystyle{ \QPvec }[/math] és vertical:
[math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vel{Q}{}+\velang{}{}\times\QPvec=(\otimes\;\;r\dot\psi_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\;\dot\theta_0)\times(\uparrow\QPvec)=(\otimes\;\;r\dot\psi_0)+(\leftarrow r\dot\theta_0) }[/math]
C4-Ex1-1-3-cat.png
Càlcul analític ➕
Si es treballa en una base fixa al suport: [math]\displaystyle{ \left\{\vel{P}{}\right\}=\left\{\vel{Q}{}\right\}+\{\velang{}{}\}\times\{\QPvec\}=\vector{-r\dot\psi_0}{0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\{\QPvec\} }[/math]
C4-Ex2-1-2-cat,esp.png
[math]\displaystyle{ \left\{\vel{P}{}\right\}=\vector{-r\dot\psi_0}{0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{r}{0}=\vector{-2r\dot\psi_0}{0}{r\dot\theta_0} }[/math]          [math]\displaystyle{ \left\{\vel{P}{}\right\}=\vector{-r\dot\psi_0}{0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{0}{r}=\vector{-r\dot\psi_0}{-r\dot\theta_0}{0}. }[/math]

✏️ Exemple C4-1.2: roda perpendicular a terra i sense lliscar


C4-Ex2-2-1-cat.png
La roda està sotmesa a restriccions que donen informació sobre la seva velocitat angular i sobre la velocitat d’un punt:
  • Perpendicular al terra: el segon angle d’Euler (inclinació respecte del terra) és constant, i per tant [math]\displaystyle{ \velang{}{}=\vec{\dot\psi}+\vec{\dot\varphi} }[/math].
  • Contacte puntual sense lliscar amb el terra: la velocitat del punt de la roda que toca a terra ha de ser instantàniament zero (secció C2.8), [math]\displaystyle{ \vel{J}{}=\vec{0} }[/math].
La velocitat de [math]\displaystyle{ \Cs }[/math] es pot calcular a partir d’aquesta informació:

[math]\displaystyle{ \vel{C}{}=\vel{J}{}+\velang{}{}\times\JCvec=(\vec{\dot\psi}+\vec{\dot\varphi})\times\JCvec=\vec{\dot\varphi}\times\JCvec }[/math], ja que [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi} }[/math] i [math]\displaystyle{ \JCvec }[/math] són sempre paral·lels. Com que [math]\displaystyle{ \vec{\dot\varphi} }[/math] és sempre perpendicular a la roda i horitzontal, i [math]\displaystyle{ \JCvec }[/math] és sempre vertical, el producte vectorial té la direcció del diàmetre horitzontal de la roda.

C4-Ex1-2-2-cat,esp.png
Anàlogament:
[math]\displaystyle{ \begin{align} \vel{P}{} & =\vel{J}{}+\velang{}{}\times\JQvec=(\Uparrow\vec{\dot\psi}+\otimes\;\;\vec{\dot\varphi})\times(\nwarrow r) =(\Uparrow\vec{\dot\psi}+\otimes\;\;\vec{\dot\varphi})\times\left(\uparrow\frac{r}{\sqrt{2}}+\leftarrow\frac{r}{\sqrt{2}}\right)=\\ & =(\Uparrow\vec{\dot\psi})\times\left(\leftarrow\frac{r}{\sqrt{2}}\right)+(\otimes\;\;\vec{\dot\varphi})\times\left(\uparrow\frac{r}{\sqrt{2}}+\leftarrow\frac{r}{\sqrt{2}}\right)=(\odot\;\; r\dot\psi)+\left(\rightarrow\frac{r\dot\varphi}{\sqrt{2}}\right)+\left(\uparrow\frac{r\dot\varphi}{\sqrt{2}}\right) \end{align} }[/math]
Càlcul analític ➕
Si es fa servir una base fixa al pla vertical que conté la roda (és a dir, amb [math]\displaystyle{ \velang{B}{T}=\vec{\dot\psi} }[/math]):
[math]\displaystyle{ \left\{\vel{C}{}\right\}=\left\{\velang{}{}\right\}\times\left\{\JCvec\right\}=\vector{-\dot\varphi}{0}{\dot\psi}\times\vector{0}{0}{r}=\vector{0}{r\dot\varphi}{0} }[/math]
[math]\displaystyle{ \left\{\vel{Q}{}\right\}=\left\{\velang{}{}\right\}\times\left\{\JQvec\right\}=\vector{-\dot\varphi}{0}{\dot\psi}\times\vector{0}{-r/\sqrt{2}}{r/\sqrt{2}}=\vector{r\dot\psi/\sqrt{2}}{r\dot\varphi/\sqrt{2}}{r\dot\varphi/\sqrt{2}} }[/math]
C4-Ex2-2-2-cat,esp.png




C4.2 Distribució d’acceleracions

L’equació que relaciona l’acceleració de dos punts [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] d’un mateix sòlid rígid S (Figura C4.3) és:

[math]\displaystyle{ \acc{P}{R}=\acc{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\left(\velang{S}{R}\times\QPvec\right)+\accang{S}{R}\times\QPvec }[/math]

També és una equació que implica operacions instantànies (com la de velocitats), però requereix més informació per calcular [math]\displaystyle{ \acc{P}{R} }[/math]: l’acceleració d’un punt [math]\displaystyle{ \left(\acc{Q}{R}\right) }[/math], la velocitat angular [math]\displaystyle{ \left(\velang{S}{R}\right) }[/math] i l’acceleració angular del sòlid [math]\displaystyle{ \left(\accang{S}{R}\right) }[/math]. Així com els enllaços permeten deduir fàcilment velocitats lineals i angulars (com s’ha vist a l’exemple anterior), no és així quan es tracta d’acceleracions. En general, l’acceleració angular es pot trobar per derivació temporal de [math]\displaystyle{ \velang{S}{R} }[/math], però identificar un punt l’acceleració del qual sigui immediata no és sempre evident. Això, junt amb el fet que el nombre d’operacions necessàries per calcular acceleracions (dues sumes i tres productes vectorials) és molt superior al que es necessita per al càlcul de velocitats (una suma i un producte vectorial), fa que obtenir [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] amb cinemàtica del sòlid rígid per després obtenir [math]\displaystyle{ \acc{P}{R} }[/math] com a derivada temporal de [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] sigui una alternativa a tenir present (sempre i quan el resultat obtingut per a [math]\displaystyle{ \vel{P}{R} }[/math] sigui genèric).

C4-4-neut.png
Figura C4.4: Informació necessària per al càlcul de la distribució d’acceleracions en un sòlid rígid
💭 Demostració ➕

L’equació de distribució d’acceleracions es pot obtenir per derivació de la de velocitats:
[math]\displaystyle{ \begin{align} \acc{P}{R} & =\dert{\vel{P}{R}}{R}=\dert{\vel{Q}{R}}{R}+\dert{\velang{S}{R}\times\QPvec}{R}=\acc{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\dert{\QPvec}{R}+\dert{\velang{S}{R}}{R}\times\QPvec=\\ & =\acc{Q}{R}+\velang{S}{R}\times\left(\velang{S}{R}\times\QPvec\right)+\accang{S}{R}\times\QPvec \end{align} }[/math]


✏️ Exemple C4-2.1: roda sobre suport giratori


C4-Ex2-1-1-cat.png
L’acceleració angular de la roda respecte del terra es pot obtenir mitjançant la derivació temporal geomètrica de la velocitat angular:
[math]\displaystyle{ \accang{roda}{T}=\dert{\velang{roda}{T}}{T}=\dert{\left(\vec{\dot\psi_0}+\vec{\dot\theta_0}\right)}{T}=\dert{\Uparrow\dot\psi_0}{T}+\dert{\odot\;\dot\theta_0}{T} }[/math]
Si es considera que els valors [math]\displaystyle{ \dot\psi_0 }[/math] i [math]\displaystyle{ \dot\theta_0 }[/math] són constants, el primer terme de la derivada és nul perquè la seva direcció és constant (sempre és vertical). El segon, però, és variable: la seva direcció és sempre perpendicular al pla vertical que conté la roda, i per tant gira a ritme [math]\displaystyle{ \dot\psi_0 }[/math] respecte del terra:
[math]\displaystyle{ \accang{roda}{T}=\left(\vec{\dot\psi_0}\times\vec{\dot\theta_0}\right)=\left(\Uparrow\dot\psi_0\right)\times\left(\odot\;\dot\theta_0\right)=\left(\Rightarrow\dot\theta_0\dot\psi_0\right) }[/math]
L’acceleració de [math]\displaystyle{ \Cs }[/math] respecte del terra és immediata ja que es tracta d’un moviment circular amb celeritat constant: només té component normal de valor [math]\displaystyle{ r\dot\psi^{2}_0 }[/math] dirigida cap al centre de curvatura: [math]\displaystyle{ \acc{C}{}=\left(\leftarrow r\dot\psi^2_0\right) }[/math].
Per tant,
[math]\displaystyle{ \begin{align}\acc{P}{}& =\acc{C}{}+\Omegavec\times(\velang{}{}\times\CPvec)+\Alfavec\times\CPvec=(\leftarrow r\dot\psi^{2}_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times\left[(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times(\rightarrow r)\right] +(\Rightarrow\dot\psi_0\dot\theta_0)\times(\rightarrow r)=\\ &=(\leftarrow r\dot\psi^{2}_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times[\otimes\; r\dot\psi_0+\uparrow r\dot\theta_0]=(\leftarrow r\dot\psi^{2}_0)+(\Uparrow\dot\psi_0)\times(\otimes\; r\dot\psi_0)+(\odot\;\dot\theta_0)\times(\uparrow r\dot\theta_0)=(\leftarrow r\dot\psi^{2}_0)+(\leftarrow r\dot\psi^{2}_0)+(\leftarrow r\dot\theta^{2}_0)=\\ &=[\leftarrow r(2\dot\psi^{2}_0+\dot\theta^{2}_0)]\end{align} }[/math]
Càlcul analític ➕
C4-Ex2-1-2-cat,esp.png
Si es treballa en una base fixa al suport:
[math]\displaystyle{ \{\accang{roda}{T}(\Ps)\}=\frac{\ds}{\ds\ts}=\{\velang{roda}{T}\}+\{\velang{B}{T}\}\times\{\velang{roda}{T}\}=\vector{0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}=\vector{0}{\dot\theta_0\dot\psi_0}{0} }[/math]
[math]\displaystyle{ \{\acc{P}{}\}=\{\acc{C}{}\}+\{\Omegavec\times(\Omegavec\times\CPvec)\}+\{\Alfavec\times\CPvec\}=\vector{0}{-r\dot\psi_0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\left(\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{r}{0}\right)+\vector{0}{\dot\theta_0\dot\psi_0}{0}\times\vector{0}{r}{0} }[/math]
[math]\displaystyle{ \{\acc{P}{}\}=\vector{0}{-r\dot\psi_0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\left(\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{r}{0}\right)=\vector{0}{-r\dot\psi_0}{0}+\vector{\dot\theta_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{-r\dot\psi_0}{0}{r\dot\theta_0}=\vector{0}{-2r\dot\psi^2_0-r\dot\theta^2_0}{0} }[/math]
L’acceleració de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] no es pot obtenir a través de la derivada analítica de la seva velocitat perquè aquesta última només és vàlida en un instant de temps (el representat a la figura). Efectivament, si es fa aquesta derivada, el resultat és erroni:
[math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vector{-2r\dot\psi_0}{0}{r\dot\theta_0}\Rightarrow\left\{\dert{\vel{P}{}}{T}\right\}=\frac{\ds}{\ds\ts}\{\vel{P}{}\} +\{\velang{B}{T}\}\times\{\vel{P}{}\}=\vector{0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{-2r\dot\psi_0}{0}{r\dot\theta_0}=\vector{0}{-2r\dot\psi^2_0}{0}\neq\{\acc{P}{}\} }[/math]


✏️ Exemple C4-2.2: roda perpendicular a terra i sense lliscar


C4-Ex2-2-1-cat.png
Considerem que la roda de l’exemple C4-1.2 té una velocitat angular respecte del terra de valor constant [math]\displaystyle{ \velang{roda}{T}=\vec{\dot\psi_0}+\vec{\dot\varphi_0}. }[/math]
L’acceleració angular de la roda respecte del terra es pot obtenir mitjançant la derivació temporal geomètrica de la velocitat angular. Si es dibuixen els vectors al pla perpendicular a [math]\displaystyle{ \vec{\dot\varphi_0}: }[/math]
[math]\displaystyle{ \accang{roda}{T}=\dert{\velang{roda}{T}}{T}=\dert{(\vec{\dot\psi_0}+\vec{\dot\varphi_0})}{T}=\dert{\left(\Uparrow\dot\psi_0\right)}{T}+\dert{\left(\otimes\;\dot\varphi_0\right)}{T} }[/math]
El primer terme de la derivada és zero perquè [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi_0} }[/math] és de direcció constant (vertical), mentre que el segon no és zero perquè [math]\displaystyle{ \vec{\dot\varphi_0} }[/math] canvia de direcció (per causa de [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi_0} }[/math]):
[math]\displaystyle{ \accang{roda}{T}=\left(\Uparrow\dot\psi_0\right)\times\left(\otimes\;\dot\varphi_0\right)=(\Leftarrow\dot\psi_0\dot\varphi_0). }[/math]
No hi ha cap punt que tingui un moviment senzill (rectilini o circular) del qual se’n pugui conèixer immediatament l’acceleració.
Un error que es comet sovint és pensar que, ja que la velocitat del punt [math]\displaystyle{ \Js }[/math] de la roda que està en contacte amb el terra és zero, la seva acceleració també serà zero: [math]\displaystyle{ \vel{J}{}=\vec{0}\Rightarrow\acc{J}{}=\vec{0} }[/math]. Això no és correcte. La velocitat és nul·la només instantàniament: just després (o just abans) de tocar a terra, no ho és, i és un altre punt del contorn de la roda el que té contacte amb el terra. Això vol dir que la velocitat de [math]\displaystyle{ \Js }[/math] passa de ser zero a ser diferent de zero (o de ser diferent de zero a ser zero). Si la velocitat canvia, és que l’acceleració no és nul·la.
La velocitat de [math]\displaystyle{ \Cs }[/math] calculada a l’exemple C4-1.2 és vàlida per a qualsevol instant de temps (no és instantània): els valors dels angles [math]\displaystyle{ \psi }[/math] i [math]\displaystyle{ \varphi }[/math] no repercuteixen en [math]\displaystyle{ \vel{C}{} }[/math]. Per tant, l’acceleració [math]\displaystyle{ \acc{C}{} }[/math] es pot trobar mitjançant derivació temporal. El valor de [math]\displaystyle{ \vel{C}{} }[/math] és constant, però la direcció és variable: és la direcció del diàmetre horitzontal (contingut en el pla de la roda), i per tant gira respecte del terra per causa de [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi_0} }[/math] (no de [math]\displaystyle{ \vec{\dot\varphi_0} }[/math]: si aquesta rotació afectés [math]\displaystyle{ \vel{C}{} }[/math], aquesta velocitat deixaria de ser horitzontal). Per tant:
[math]\displaystyle{ \acc{C}{}=\dert{\vel{C}{}}{T}=\dert{(\rightarrow r\dot\varphi_0)}{T}=(\Uparrow\dot\psi_0)\times(\rightarrow r\dot\varphi_0)=(\otimes\; r\dot\psi_0\dot\varphi_0) }[/math]
Pel que fa al punt [math]\displaystyle{ \Js }[/math], com que alenteix el seu moviment en apropar-se al terra –on la seva velocitat es fa zero- i tot seguit passa a allunyar-se’n tot incrementat la velocitat de separació, la seva acceleració té un component vertical amb sentit d’allunyament del terra. Això es pot comprovar mitjançant l’equació d’acceleracions a partir de l’acceleració de [math]\displaystyle{ \Cs }[/math]:
[math]\displaystyle{ \begin{align} \acc{J}{} & =\acc{C}{}+\Omegavec\times(\Omegavec\times\CJvec)+\Alfavec\times\CJvec=(\otimes\; r\dot\psi_0\dot\theta_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times[(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times(\downarrow r)]+[(\Leftarrow\dot\psi_0\dot\theta_0)]\times(\downarrow r)=\\ & =(\otimes\; r\dot\psi_0\dot\theta_0)+(\Uparrow\dot\psi_0+\odot\;\dot\theta_0)\times[(\rightarrow r\dot\theta_0)]+(\odot\; r\dot\psi_0\dot\theta_0)=(\otimes\; r\dot\psi_0\dot\theta_0)+(\uparrow r\dot\theta^2_0) \end{align} }[/math]
Càlcul analític ➕
Si es fa servir una base fixa al pla vertical que conté la roda [math]\displaystyle{ (\velang{B}{T}=\vec{\dot\psi_0}): }[/math]
  • Càlcul de [math]\displaystyle{ \accang{roda}{T} }[/math] per derivació analítica:
[math]\displaystyle{ \{\accang{roda}{T}\}=\left\{\dert{\velang{roda}{T}}{T}\right\}=\{\velang{B}{T}\}\times\{\velang{roda}{T}\}=\vector{0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{-\dot\varphi_0}{0}{\dot\psi_0}=\vector{0}{-\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0} }[/math]
  • Càlcul de [math]\displaystyle{ \acc{C}{} }[/math] per derivació analítica:
[math]\displaystyle{ \{\acc{C}{}\}=\left\{\dert{\vel{C}{}}{T}\right\}=\{\velang{B}{T}\}\times\{\vel{C}{}\}=\vector{0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{-\dot\varphi_0}{0}{\dot\psi_0}=\vector{0}{-\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0} }[/math]
C4-Ex2-2-2-cat,esp.png
  • Càlcul de [math]\displaystyle{ \acc{J}{} }[/math] per cinemàtica del sòlid rígid:
[math]\displaystyle{ \{\acc{J}{}\}=\{\acc{C}{}\}+\{\Omegavec\}\times(\{\Omegavec\}\times\{\CJvec\})+\{\Alfavec\}\times\{\CJvec\} }[/math]
[math]\displaystyle{ \{\acc{J}{}\}=\vector{-r\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0}{0}+\vector{-\dot\varphi_0}{0}{\dot\psi_0}\times\left(\vector{-\dot\varphi_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{0}{-r}\right)+\vector{0}{-\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0}\times\vector{0}{0}{-r}=\vector{-r\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0}{0}+\vector{-\dot\varphi_0}{0}{\dot\psi_0}\times\vector{0}{-r\dot\varphi_0}{0}+\vector{r\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0}{0} }[/math]
[math]\displaystyle{ \{\acc{J}{}\}=\vector{r\dot\psi_0\dot\varphi_0}{0}{r\dot\varphi^2_0} }[/math]




C4.3 Geometria de la distribució de velocitats: Eix Instantani de Rotació i Lliscament (EIRL)

L’equació de distribució de velocitats d’un sòlid rígid (que es pot aplicar en configuracions particulars o genèriques) sembla dir que tots els punts tenen velocitat diferent quan el sòlid gira:

[math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vel{Q}{}+\omeg{S}{}\times \vecbf{QP} \: ; \omeg{S}{} \neq \vec{0} }[/math]

Tot i així, hi ha aspectes comuns entre les velocitats, tal com s’ha comentat a la introducció (Figura C4.2), per causa de la constància de les distàncies entre punts. Per exemple, aquesta constància implica la igualtat de les components de velocitat en la direcció de la recta que uneix les parelles de punts (propietat d’equiprojectivitat). Ara bé, aquesta component es diferent en principi per a diferents parelles de punts (Figura C4.5), i el seu valor pot canviar instant rere instant.

C4-5-neut.png
Figura C4.5 Propietat d’equiprojectivitat de la distribució de velocitats en un sòlid rígid

Aquesta secció explora altres similituds instantànies entre velocitats de diferents punts d’un sòlid a partir de l’equació de distribució de velocitats.

Comencem per preguntar-nos si és possible que punts del mateix sòlid tinguin la mateixa velocitat (no només una component) quan el sòlid gira: [math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vel{Q}{} }[/math] encara que [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} \neq \vecbf{0} }[/math] ? Perquè sigui així, cal que [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} \times \vecbf{QP} = \vec{0} }[/math] , i aquest és el cas quan [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] i [math]\displaystyle{ \vecbf{QP} }[/math] són paral·lels. Per tant, tots els punts situats en una recta paral·lela a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] tenen la mateixa velocitat instantàniament. No es tracta de la igualtat de velocitats d’una parella de punts sinó d’infinits punts (Figura C4.6). Cal tenir present, però, que a cada recta paral·lela a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] li correspon una velocitat diferent.

C4-6-neut.png
Figura C4.6 Igualtat de velocitats de punts situats en rectes paral·leles a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math]

La direcció de [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] , doncs, sembla tenir una importància singular quan es tracta de descobrir la geometria de la distribució de velocitats. Per això és interessant projectar l’equació de velocitats en aquesta direcció. En general, la velocitat de qualsevol punt es pot descompondre en una component paral·lela a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] i una de perpendicular a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math]: ,[math]\displaystyle{ \vel{P}{} = \left.\vel{P}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}+\left.\vel{P}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}} }[/math] i [math]\displaystyle{ \vel{Q}{} = \left.\vel{Q}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}+\left.\vel{Q}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}} }[/math] . Si introduïm aquesta descomposició a l’equació de velocitats:

[math]\displaystyle{ \left.\vel{P}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}+\left.\vel{P}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}}=\left.\vel{Q}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}+\left.\vel{Q}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}}+\omeg{S}{}\times \vecbf{QP}\implies \begin{equation} \left\{\begin{array}{@{}l@{}} \left.\vel{P}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}=\left.\vel{Q}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}\\ \left.\vel{P}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}}=\left.\vel{Q}{} \right]_{\perp\omeg{S}{}}+\omeg{S}{}\times \vecbf{QP} \end{array} \right.\,. \end{equation} }[/math]

Aquesta equació demostra que la projecció de la velocitat de tots els punts del sòlid en la direcció de [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] és la mateixa instantàniament (Figura C4.7), encara que aquest valor pot canviar al llarg del temps:[math]\displaystyle{ \left.\vel{P}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}=\left.\vel{Q}{}\right]_{\parallel\omeg{S}{}}=\textrm{v}_\Omega }[/math] . És una situació ben diferent de la que s’ha mostrat a la Figura C4.5.

C4-7-neut.png
Figura C4.7 Igualtat de la component de la velocitat de tots els punts en la direcció de [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math]

La component de les velocitats perpendicular a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] és en principi diferent per causa del terme [math]\displaystyle{ \omeg{S}{}\times \vecbf{QP} }[/math] . El mòdul de la velocitat d’un punt es pot calcular com a

[math]\displaystyle{ \abs{\vel{P}{}}= \sqrt{ \left( \left. \vel{P}{} \right]_{\parallel\omeg{S}{}} \right)^2 + \left( \left. \vel{P}{} \right]_{\perp\omeg{S}{}} \right)^2}= \sqrt{\textrm{v}^2_\Omega+\left(\left.\vel{P}{}\right]_{\perp\omeg{S}{}}\right)^2}\ge \textrm{v}_\Omega }[/math]

Aquesta equació proporciona una interpretació de la velocitat [math]\displaystyle{ \textrm{v}_\Omega }[/math]: és el valor mínim de velocitat que poden tenir els punts del sòlid. Cal no perdre de vista, però, que aquest valor pot canviar a cada instant, doncs l’anàlisi que s’està fent és instantània.

Si trobem un punt [math]\displaystyle{ \Is }[/math] que té exactament aquest valor de velocitat [math]\displaystyle{ (|\vel{I}{}|=\textrm{v}_\Omega) }[/math] i invoquem la propietat representada a la Figura C4.7, veurem de seguida que tots els punts la recta paral·lela a [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math] que passa per [math]\displaystyle{ \Is }[/math] tenen velocitat mínima. Aquesta recta s’anomena Eix Instantani de Rotació i Lliscament (EIRL), i la velocitat [math]\displaystyle{ \vs_\Omega }[/math], que té la direcció de l’EIRL, s’anomena velocitat de lliscament al llarg de l’EIRL. A partir d’ara, la [math]\displaystyle{ \vs_\Omega }[/math] s’escriurà com a [math]\displaystyle{ \vs_\textrm{EI} }[/math].

Tant l’ERIL com la [math]\displaystyle{ \vs_\textrm{EI} }[/math] són conceptes associats a velocitats, i per tant depenen de la referència R des d’on s’avalua el moviment. Estrictament, doncs, haurien de portar un subíndex R indicatiu d’aquesta referència. Si la referència queda prou clara en la descripció del problema, es pot ometre. La velocitat de qualsevol punt es pot calcular molt ràpidament a partir de l’EIRL (Figura C4.8).

C4-8-cat.png
Figura C4.8 Càlcul de la velocitat d’un punt a partir de l’EIRL

El terme [math]\displaystyle{ \vs_\textrm{EI} }[/math] s’anomena velocitat de lliscament al llarg de l’EIRL. El terme [math]\displaystyle{ \omeg{S}{}\times\vecbf{IP} }[/math] s’anomena velocitat de rotació al voltant de l’EIRL, i el seu valor es el producte de la distància de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] fins a l’EIRL per la velocitat angular [math]\displaystyle{ \omeg{S}{} }[/math]:

[math]\displaystyle{ \vel{P}{}=\vel{I}{}+\omeg{S}{}\times\vecbf{IP}=\vvec_\textrm{EI}+\overline{\textbf{v}}_{\textrm{rotació}}(\Ps) }[/math]


✏️ Exemple C4-3.1: cargol


C4-Ex3-1-1-cat.png
En el moviment d’un cargol respecte de la referència de la rosca femella (R), l’EIRL és molt fàcil d’identificar perquè [math]\displaystyle{ \omeg{cargol}{R} }[/math] és immediata: té sempre la direcció de l’eix del cargol (de fet, en aquest cas és un eix permanent de rotació).
La velocitat dels punts de l’EIRL [math]\displaystyle{ \vs_\textrm{EI} }[/math] és diferent de zero, i en aquest cas és proporcional a la [math]\displaystyle{ \omeg{cargol}{R} }[/math] a través del pas de rosca '[math]\displaystyle{ \textrm{e} }[/math]'. Si '[math]\displaystyle{ \textrm{e} }[/math]' es dona en (mm/volta), cal transformar els unitats al sistema internacional:
[math]\displaystyle{ \textrm{e}\left(\frac{mm}{volta}\right)\cdot \left(\frac{1m}{10^3mm}\right)\cdot \left(\frac{1 volta}{2\pi rad}\right)=\frac{\textrm{e}}{10^3\cdot 2\pi}(\frac{m}{rad}) }[/math]

[math]\displaystyle{ \vs\left(\frac{m}{s}\right)=\frac{\textrm{e}}{10^3\cdot 2\pi}\left(\frac{m}{rad}\right)\cdot\omeg{cargol}{R}\left(\frac{rad}{s}\right)=\frac{\textrm{e}}{10^3\cdot 2\pi}\cdot\omeg{cargol}{R}\left(\frac{m}{s}\right) }[/math]

La velocitat del punt [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] és: [math]\displaystyle{ \vel{P}{R}=(\uparrow\vs_\textrm{EI})+(\otimes\;\; r\omeg{cargol}{R}) }[/math]



Video C4.1 Exemples de la geometria de la distribució de velocitats en un sòlid rígid

✏️ Exemple C4-3.2: bola sobre pista circular


C4-Ex3-2-1-cat,esp.png

La bola es mou mantenint contacte sense lliscar amb una pista circular fixa a terra (T). La seva rotació no és senzilla: es tracta d’un moviment 3D.
El fet que la bola es mou en una zona reduïda de l’espai per causa de la guia, l’eix de revolució de la qual és l’eix vertical [math]\displaystyle{ \vecbf{OO'} }[/math], pot fer pensar erròniament que la seva rotació és al voltant d’aquest eix, i que la seva velocitat angular és vertical.
Si fos el cas, el moviment de la bola seria pla, i tots els seus punts descriurien trajectòries circulars amb centre de curvatura sobre l’eix [math]\displaystyle{ \vecbf{OO'} }[/math]. Això contradiu la hipòtesi de no lliscament entre bola i terra: els punts [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] lliscarien sobre terra.
L’únic punt que fa una trajectòria circular és el centre [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math]: per causa del contacte amb la guia, la seva distància al terra i a l’eix [math]\displaystyle{ \vecbf{OO'} }[/math] és constant. A aquest moviment se li pot associar una velocitat angular vertical [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi} }[/math] : correspon a la rotació del pla vertical que conté el punt [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math]. Aquest punt, per tant, pertany a dos sòlids diferents: aquest pla vertical i la bola. Com a punt del pla, la seva velocitat es pot calcular a partir de [math]\displaystyle{ \omeg{pla}{T} }[/math]:
[math]\displaystyle{ \vel{C}{}=\vel{O}{}+\omeg{pla}{}\times\vecbf{OC}=\vec{\dot\psi}\times\vecbf{OC} }[/math]
Però recordem: [math]\displaystyle{ \omeg{bola}{T}\neq \vec{\dot\psi} }[/math]. Tot i així, ambdues velocitats estan relacionades: si aturem la rotació del pla [math]\displaystyle{ \vec{\dot\psi}=\vec{0} }[/math] i es manté la condició de no lliscar a [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math], la bola queda aturada [math]\displaystyle{ (\omeg{bola}{T}=\vec{0}) }[/math].
En aquesta situació, l’EIRL és útil per descobrir la [math]\displaystyle{ \omeg{bola}{T} }[/math]. Si no hi ha lliscament a [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math], la seva velocitat instantània respecte del terra és zero: . En no existir un valor de velocitat inferior a zero, [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] tenen velocitat mínima,[math]\displaystyle{ \vs_\textrm{EI}=\vec{0} }[/math] , i l’EIRL és la recta radial que passa per [math]\displaystyle{ \Ps }[/math], [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] i O’. La velocitat de [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math] es pot calcular com a punt de la bola: tota prové de la rotació al voltant de l’EIRL de la bola. EL resultat ha de ser el mateix que el que s’ha obtingut aplicant cinemàtica del pla giratori.
C4-Ex3-2-2-cat.png
Per tant:
[math]\displaystyle{ h\Omega=R\dot\psi\implies\Omega=\frac{R}{h}\dot\psi }[/math]


Tots els punts de la bola que es troben sobre la recta [math]\displaystyle{ \vecbf{CO} }[/math] tenen la mateixa velocitat que [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math] (la seva distància a l’EIRL és també h). La velocitat del punt de la bola que es troba a la posició més alta té la direcció i el sentit de [math]\displaystyle{ \vel{C}{} }[/math] , i valor [math]\displaystyle{ (h+r)\Omega=\frac{R}{h}(h+r)\dot\psi }[/math] .



Video C4.2 Moviment d'una bola sobre una pista circular


✏️ Exemple C4-3.3: roda sobre plataforma giratòria


C4-Ex3-3-1-cat.png

La roda manté contacte sense lliscar amb la plataforma, que gira respecte del terra amb velocitat angular [math]\displaystyle{ \omega }[/math]. L’eix [math]\displaystyle{ \Os\Cbf }[/math] de la roda gira amb velocitat angular [math]\displaystyle{ \omega }[/math] impulsat per un motor. La velocitat angular de la roda no és ni la de l’eix ni la de la plataforma, però està condicionada per les dues.
El punt [math]\displaystyle{ \Os }[/math] manté constant la seva distància a tots els punts de la roda. Per tant, pertany a la roda. A més, ja que la seva velocitat és zero (permanentment), l’EIRL de la roda ha de passar per [math]\displaystyle{ \Os }[/math], i [math]\displaystyle{ \vvec_\textrm{EI}=\vec{0} }[/math]. Ara cal trobar un altre punt de velocitat nul·la per determinar l’EIRL amb precisió.
Els punts [math]\displaystyle{ \Js_\textrm{plat} }[/math] i [math]\displaystyle{ \Js_\textrm{roda} }[/math] de la plataforma i de la roda que es troben instantàniament en contacte tenen la mateixa velocitat si no hi ha lliscament (secció C2.8). Per altra banda, [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math] pertany a l’eix [math]\displaystyle{ \Os\Cbf }[/math], i la seva velocitat es pot calcular a partir de la rotació de l’eix: [math]\displaystyle{ \vvec_\textrm{T}(\Cbf_\textrm{eix})=\otimes\;\Rs\omega }[/math] . Finalment, ja que [math]\displaystyle{ \Cbf }[/math] i [math]\displaystyle{ \Js }[/math] tenen la mateixa celeritat però signe oposat, el punt mig entre els dos [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] té velocitat nul·la:
[math]\displaystyle{ \begin{equation} \left.\begin{array}{lr} \vvec_\textrm{T}(\Cbf_\textrm{eix})=\otimes\; \Rs \omega \\ \vvec_\textrm{T}(\Cbf_\textrm{roda})=\otimes\; \textrm{s}\Omega=\otimes\;(\Rs sin\beta_0)\Omega \\ sin\beta_0=(\rs/2)\left/\sqrt{\Rs^2+(\rs/2)^2}\right. \end{array} \right\} \end{equation}\implies \Omega=\frac{\omega}{sin\beta_0}=\omega\sqrt{\left(\frac{\Rs}{textrm{s}/2}\right)^2+1} }[/math]

C4-Ex3-3-2-cat.png


Els exemples precedents tracten de sòlids amb un únic grau de llibertat. L’EIRL no està unívocament definit quan un sòlid té més d’1 GL de rotació, i en aquest cas no sol tenir massa interès.




C4.4 Axoide fix i axoide mòbil

Els exemples anteriors (exemple C4-3.1, exemple C4-3.2) mostren la utilitat de l’EIRL per determinar la velocitat angular d’un sòlid [math]\displaystyle{ \omeg{S}{T} }[/math]. Qualsevol velocitat angular s’hauria de poder descriure com a superposició de rotacions d’Euler, però no sempre és immediat. Per al cas d’objectes de simetria esfèrica (com la bola de l’exemple C4-3.2), la tria del tercer eix (fix al sòlid) no és evident: l’excés de simetria fa que no hi hagi direccions singulars fixes al sòlid fàcils de recordar. Els conceptes d’axoide fix i axoide mòbil són de gran ajuda quan es tracta de fer aquesta descripció. Els axoides són superfícies reglades (generades per una successió de rectes) que contenen els punts pels que en algun moment passa l’EIRL. Quan es tracta de rectes de punts de la referència, es parla d’axoide fix. Quan són rectes de punts del sòlid, es parla d’axoide mòbil. L’un i l’altre són fixos a la referència i el sòlid, respectivament.


✏️ Exemple C4-4.1: bola sobre pista circular


C4-Ex4-1-1-cat,esp.png

Prenem el sistema del l’exemple C4-3.2, i dibuixem el conjunt de rectes de punts de la referència T pels que passa l’EIRL al llarg del temps. Totes passen totes per [math]\displaystyle{ \Os' }[/math], i cobreixen un pla horitzontal. Es pot dir, doncs, que l’axoide fix és un pla.
Ara bé, aquesta descripció no reté una informació essencial: el pla s’ha generat a partir de rectes que es tallen totes en un punt. Per tal d’incorporar aquesta particularitat, l’axoide fix es passa a descriure com a una superfície cònica, de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os' }[/math], eix vertical i semiobertura [math]\displaystyle{ 90\deg }[/math].
Per visualitzar l’axoide mòbil, és útil pensar en una manera de marcar l’EIRL a la bola. Per exemple, podem imaginar que, instant rere instant, la perforem entre els dos punts de contacte amb la pista ([math]\displaystyle{ \Ps }[/math] i [math]\displaystyle{ \Qs }[/math]). Aquesta operació deixarà un conjunt de forats rectes a la bola. La superfície que defineixen és l’axoide mòbil.
Si es té present que els dos axoides comparteixen a cada instant una recta (o, el que és el mateix, que el mòbil rodola sense lliscar al damunt del fix), es fa evident que l’axoide mòbil també ha de ser una superfície cònica de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os' }[/math], eix [math]\displaystyle{ \Cbf\Os' }[/math] i semiobertura [math]\displaystyle{ \beta_0=atan(\textrm{h}/\Rs) }[/math].
Ara es poden substituir la pista i la bola pels dos axoides: la cinemàtica del problema és exactament la mateixa. Però ja no tenim la simetria esfèrica de la bola (que dificulta la tria del tercer eix d’Euler). L’axoide mòbil es pot veure com a una baldufa el perfil de la qual ja ha entrat en contacte amb terra (per tant, la seva inclinació [math]\displaystyle{ \theta }[/math] ja no pot variar: [math]\displaystyle{ \dot\theta=0 }[/math]) i no llisca sobre el terra (per tant, la precessió i la rotació pròpia són proporcionals: [math]\displaystyle{ \dot\varphi\propto\dot\psi }[/math]). Aquesta visió del problema fa entenedora la velocitat angular horitzontal: és la suma de la primera i la tercera rotació d’Euler.
C4-Ex4-1-2-cat.png
[math]\displaystyle{ \omeg{bola}{T}\equiv \omeg{}{}=\vec{\dot\psi}+\vec{\dot\varphi},\textrm{amb} \begin{equation}\left\{\begin{array}\dot\varphi=\frac{\Omega}{cos\beta_0} \\ \dot\psi = \dot\varphi sin\beta_0=\Omega tan\beta_0\end{array}\right.\end{equation} }[/math]



Video C4.3 Axoides d'una bola sobre una pista circular


Video C4.4 Control d'una bola sobre una pista circular

✏️ Exemple C4-4.2: roda sobre plataforma giratòria


Havent vist que l’EIRL de la roda de l’exemple C4-3.3 respecte al terra (T) és la recta [math]\displaystyle{ \vecbf{OQ} }[/math], els axoides es fan molt evidents:
  • axoide fix: superfície cònica de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os }[/math], eix vertical i semiobertura [math]\displaystyle{ \left(\frac{\pi}{2}-\beta_0\right) }[/math] ,
  • axoide mòbil: superfície cònica de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os }[/math], eix horitzontal i semiobertura [math]\displaystyle{ \beta_0 }[/math] .
El punt [math]\displaystyle{ \Os }[/math]manté constant la seva distància a tots els punts de la roda. Per tant, pertany a la roda. A més, ja que la seva velocitat és zero (permanentment), l’EIRL de la roda ha de passar per [math]\displaystyle{ \Os }[/math], i [math]\displaystyle{ \vvec_\textrm{EI}=\vec{0} }[/math] . Ara cal trobar un altre punt de velocitat nul·la per determinar l’EIRL amb precisió.
C4-Ex4-2-cat.png
Novament, el problema és equivalent al d’una baldufa que rodola sense lliscar sobre un terra cònic. Això permet descriure la velocitat angular com a superposició d’una precessió i una rotació pròpia (la suma de les quals ha de tenir la direcció de l’EIRL):
[math]\displaystyle{ \omeg{roda}{T}\equiv \Omegavec=\vec{\dot\psi}+\vec{\dot\varphi},\textrm{amb} \begin{equation}\left\{\begin{array} \dot{\varphi}=\Omega cos\beta_0=\frac{\Omega\Rs}{\sqrt{ \Rs^2+(\rs/2)^2}} \\ \dot\psi = \Omega sin\beta_0=\frac{\Omega\rs}{\sqrt{\Rs^2+(\rs/2)^2}}\end{array}\right.\end{equation} }[/math]
Si l’anàlisi cinemàtica es fa des de la referència de la plataforma, l’EIRL passa per [math]\displaystyle{ \Os }[/math] i per [math]\displaystyle{ \Js }[/math], i els axoides passen a ser:
  • axoide fix: superfície cònica de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os }[/math], eix vertical i semiobertura [math]\displaystyle{ \frac{\pi}{2}-\gamma_0 }[/math] ,
  • axoide mòbil: fix: superfície cònica de vèrtex [math]\displaystyle{ \Os }[/math], eix horitzontal i semiobertura [math]\displaystyle{ \gamma_0 }[/math], amb [math]\displaystyle{ \gamma_0=atan(\rs/Rs) }[/math] .




C4.E Exercicis resolts

🔎 Exercici C4-E.1: pèndol giratori


La placa està articulada en el punt [math]\displaystyle{ \Os }[/math] a una forquilla, que gira amb velocitat angular constant [math]\displaystyle{ \psio }[/math] respecte del terra (T). Entre forquilla i terra (sostre), i entre placa i forquilla hi ha articulacions.
C3-E-Ex1-1-cat.png
1. Determina la velocitat i l’acceleració del punt P respecte del terra.
El moviment del punt [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] respecte del terra es pot obtenir a partir del d’[math]\displaystyle{ \Os }[/math] aplicant les equacions de cinemàtica del sòlid rígid (CSR) a la placa:
[math]\displaystyle{ \vel{P}{T}=\vel{O}{T}+\velang{placa}{T}\times\OPvec }[/math]
[math]\displaystyle{ \acc{P}{T}=\acc{O}{T}+\velang{placa}{T}\times(\velang{placa}{T}\times\OPvec)+\accang{placa}{T}\times\OPvec }[/math]
En trobar-se al damunt de l’eix de rotació de la forquilla, O està permanentment quiet respecte del terra, i per tant [math]\displaystyle{ \vel{O}{T}=\vec{0} }[/math] i [math]\displaystyle{ \acc{O}{T}=\vec{0} }[/math]. La velocitat angular de la placa és la superposició de [math]\displaystyle{ \vec{\psio} }[/math] i [math]\displaystyle{ \vec{\dth} }[/math]:
[math]\displaystyle{ \velang{placa}{T}= \velang{placa}{forq.}+\velang{forq.}{T}=\vec{\dth}+\vec{\psio}=(\odot\dth)+(\Uparrow\psio) }[/math]
[math]\displaystyle{ \accang{placa}{T}=\dert{\velang{placa}{T}}{T}=\dert{(\vec{\psio}+\vec{\dth})}{T}=\dert{\vec{\psio}}{T}+\dert{\vec{\dth}}{T}=\dert{(\Uparrow\psio)}{T}+\dert{(\odot\dth)}{T} }[/math]
L’acceleració angular de la placa prové exclusivament del canvi de valor i direcció de [math]\displaystyle{ \vec{\dth} }[/math] (ja que [math]\displaystyle{ \vec{\psio} }[/math] és constant en valor i direcció):
[math]\displaystyle{ \accang{placa}{T}=\dert{(\odot\dth)}{T}=[\text{canvi de valor}]+[\text{canvi de direcció}]_\Ts=[\odot\ddot{\theta}]+[(\Uparrow\psio)+(\odot\dth)]=(\odot\ddot{\theta})+(\Rightarrow\psio\dth) }[/math]
Càlcul de la velocitat de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] respecte del terra
C3-E-Ex1-3-neut.png
[math]\displaystyle{ \vel{P}{T}=\vel{O}{T}+\velang{placa}{T}\times\OPvec=\vec{0}+\left[(\Uparrow\psio)+(\odot\dth)\right]\times(\searrow\Ls)^*= }[/math]
[math]\displaystyle{ =(\Uparrow\psio)\times(\rightarrow\Ls\stheta)+(\odot\dth)\times(\searrow\Ls)^*=(\otimes\Ls\psio\stheta)+(\nearrow\Ls\dth)^* }[/math]
Alternativament, es pot fer la mateixa operació fent servir la base vectorial fixa a la placa:
[math]\displaystyle{ \braq{\vel{P}{T}}{B}=\vector{0}{0}{0}+\vector{\dth}{\psio\stheta}{\psio\ctheta}\times\vector{0}{0}{-\Ls}=\vector{-\Ls\psio\stheta}{\Ls\dth}{0} }[/math]
Càlcul de l’acceleració de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] respecte del terra
[math]\displaystyle{ \acc{P}{T}=\velang{placa}{T}\times(\velang{placa}{T}\times\OPvec)+\accang{placa}{T}\times\OPvec=\velang{placa}{T}\times\vel{P}{T}+\accang{placa}{T}\times\OPvec= }[/math]
[math]\displaystyle{ =\left[(\Uparrow\psio)+(\odot\dth)\right]\times\left[(\otimes\Ls\psio\stheta)+(\nearrow\Ls\dth)\right]+\left[(\odot\ddot{\theta})+(\Rightarrow\psio\dth)\right]\times(\searrow\Ls) }[/math]
El nombre d’operacions a fer és força elevat, i per aquest motiu és aconsellable fer-les directament a través de la base vectorial:
[math]\displaystyle{ \braq{\acc{P}{T}}{B}=\vector{0}{0}{0}+\vector{\dot{\theta}}{\psio\stheta}{\psio\ctheta}\times\left(\vector{\dot{\theta}}{\psio\stheta}{\psio\ctheta}\times\vector{0}{0}{-\Ls}\right)+\vector{\ddot{\theta}}{-\psio\dth\ctheta}{\psio\dth\stheta}\times\vector{0}{0}{-\Ls}=\vector{-2\Ls\psio\dth\ctheta}{\Ls\ddot{\theta}-\Ls\psio^2\stheta\ctheta}{\Ls\dth^2+\Ls\psio^2\text{sin}^2\theta} }[/math]

🔎 Exercici C4-E.2: placa articulada giratòria


La placa rectangular està unida a un suport giratori a través de dues barres amb articulacions als extrems. Una tercera barra està unida a la placa a través d’una ròtula esfèrica (a [math]\displaystyle{ \Ps }[/math]) i al suport a través d’un enllaç cilíndric. El suport gira amb velocitat angular [math]\displaystyle{ \vec{\dpsi} }[/math] variable respecte del terra (T).
C3-E.Ex2-1-cat-esp.png
1. Determina la velocitat i l’acceleració del punt Q respecte del terra.
El moviment de [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] respecte del terra es pot obtenir a partir de CSR aplicada a la placa, partint del punt [math]\displaystyle{ \Ps }[/math], que fa un moviment rectilini vertical respecte del terra. La velocitat i l’acceleració de [math]\displaystyle{ \Ps }[/math] es poden obtenir com a les derivades temporals primera i segona, respectivament, del vector de posició [math]\displaystyle{ \OPvec }[/math]. Tant [math]\displaystyle{ \OPvec }[/math] com [math]\displaystyle{ \vel{P}{T} }[/math] son vectors de valor variable i direcció constant:
[math]\displaystyle{ \OPvec = (\uparrow 2\Ls\stheta) }[/math]
[math]\displaystyle{ \vel{P}{T}=\dert{\OPvec}{T}=[\text{canvi de direcció}]_\Ts=(\uparrow 2\Ls\dth\ctheta) }[/math]
[math]\displaystyle{ \acc{P}{T}=\dert{\vel{P}{T}}{T}=[\text{canvi de direcció}]_\Ts=[\uparrow 2\Ls(\ddth\ctheta-\dth^2\stheta)] }[/math]
La velocitat angular de la placa és la superposició de [math]\displaystyle{ \vec{\dpsi} }[/math] i [math]\displaystyle{ \vec{\dot{\theta}} }[/math], i l’acceleració angular està associada al canvi de valor de [math]\displaystyle{ \vec{\dpsi} }[/math], i al canvi de valor i direcció de [math]\displaystyle{ \vec{\dot{\theta}} }[/math] (exemple C2-E.2):
[math]\displaystyle{ \velang{placa}{T}=\velang{placa}{suport}+\velang{suport}{T}=(\otimes\dth)+(\Uparrow\dpsi) }[/math]
[math]\displaystyle{ \accang{placa}{T}=\dert{\velang{placa}{T}}{T}=(\Uparrow\ddpsi)+(\otimes\ddth)+(\Leftarrow\dpsi\dth) }[/math]
Càlcul de la velocitat de [math]\displaystyle{ \Qs }[/math] respecte del terra
C4-E-Ex2-2-cat-esp.png
[math]\displaystyle{ \vel{Q}{T}=\vel{P}{T}+\velang{placa}{T}\times\PQvec=(\uparrow 2\Ls\dth\ctheta)+[(\otimes\dth)+(\Uparrow\dpsi)]\times(\searrow 2\Ls)^*=(\uparrow 2\Ls\dth\ctheta)+(\Uparrow\dpsi)\times(\rightarrow 2\Ls\ctheta)+(\otimes\dth)\times(\searrow 2\Ls)^*= }[/math]
[math]\displaystyle{ =(\uparrow 2\Ls\dth\ctheta)+(\otimes 2\Ls\dpsi\ctheta)+(\swarrow 2\Ls\dth)^*=(\otimes 2\Ls\dpsi\ctheta)+(\leftarrow 2\Ls\dth\stheta) }[/math]


Alternativament, es pot fer la mateixa operació fent servir la base fixa al suport:
[math]\displaystyle{ \braq{\vel{Q}{T}}{B}=\vector{0}{0}{2\Ls\dth\ctheta}+\vector{0}{\dth}{\dpsi}\times\vector{2\Ls\ctheta}{0}{-2\Ls\stheta}=\vector{-2\Ls\dth\stheta}{2\Ls\dpsi\ctheta}{0} }[/math]
Càlcul de l’acceleració de Q respecte del terra
[math]\displaystyle{ \acc{Q}{T}=\acc{P}{T}+\velang{placa}{T}\times(\velang{placa}{T}\times\PQvec)+\accang{placa}{T}\times\PQvec= }[/math]
[math]\displaystyle{ =[\uparrow 2\Ls(\ddth\ctheta-\dth^2\stheta)]+[(\Uparrow\dpsi)+(\otimes\dth)]\times\left([(\Uparrow\dpsi)+(\otimes\dth)]\times(\searrow 2\Ls)\right)+ }[/math]
[math]\displaystyle{ +[(\Uparrow\ddpsi)+(\otimes\ddth)+(\Leftarrow\dpsi\dth)]\times(\searrow 2\Ls) }[/math]
El nombre d’operacions a fer és força elevat, i per aquest motiu és aconsellable fer-les directament a través de la base vectorial:
[math]\displaystyle{ \braq{\acc{Q}{T}}{B}=\vector{-2\Ls(\ddth\ctheta-\dth^2\stheta)}{0}{0}+\vector{0}{\dth}{\dpsi}\times\left(\vector{0}{\dth}{\dpsi}\times\vector{2\Ls\ctheta}{0}{-2\Ls\stheta}\right)+\vector{-\dpsi\dth}{\ddth}{\ddpsi}\times\vector{2\Ls\ctheta}{0}{-2\Ls\stheta}=2\Ls\vector{-\ddth\stheta-(\dpsi^2+\dth^2)\ctheta)}{\ddpsi\ctheta-2\dpsi\dth\stheta}{0} }[/math]

🔎 Exercici C4-E.3: pèndol giratori amb punt de suspensió mòbil


El pèndol en forma d’anella està articulat al suport, el qual té un enllaç prismàtic amb la guia. La guia està articulada al sostre, i la seva velocitat angular respecte d’aquest [math]\displaystyle{ (\vec{\psio}) }[/math] es manté constant. La molla entre suport i guia garanteix que el primer no caigui a terra quan el sistema està aturat.
C3-E-Ex3-1-cat.png
1. Determina la velocitat i l’acceleració del punt [math]\displaystyle{ \Gs }[/math] respecte del terra per cinemàtica del sòlid rígid.
C4-E-Ex3-2-cat-esp.png
El moviment de [math]\displaystyle{ \Gs }[/math] respecte del terra es pot obtenir a partir de CSR aplicada a l’anella, doncs d’aquest sòlid se’n coneix la velocitat i l’acceleració del punt [math]\displaystyle{ \Os }[/math]: té un moviment rectilini vertical respecte del terra.
[math]\displaystyle{ \vel{O}{T}=(\downarrow\dot{x});\:\:\:\:\:\:\acc{O}{T}=(\downarrow\ddot{x}) }[/math]
La velocitat angular de la placa és la superposició de [math]\displaystyle{ \vec{\psio} }[/math] i [math]\displaystyle{ \vec{\dth} }[/math], i l’acceleració angular està associada al canvi de valor i direcció de [math]\displaystyle{ \vec{\dth} }[/math] (exemple C2-E.3):
[math]\displaystyle{ \velang{anella}{T}=\velang{anella}{suport}+\velang{suport}{guia}+\velang{guia}{T}=(\odot\dth)+\vec{0}+(\Uparrow\psio) }[/math]
[math]\displaystyle{ \accang{anella}{T}=\dert{\velang{anella}{T}}{T}=(\otimes\ddth)+(\Rightarrow\psio\dth) }[/math]
Càlcul de la velocitat de G respecte del terra
[math]\displaystyle{ \vel{G}{T}=\vel{O}{T}+\velang{anella}{T}\times\OGvec=(\downarrow\dot{x})+[(\Uparrow\psio)+(\odot\dth)]\times(\searrow\Ls)= }[/math]
[math]\displaystyle{ =(\downarrow\dot{x})+(\Uparrow\psio)+(\rightarrow\Ls\ctheta)+(\odot\dth)\times(\searrow\Ls)= (\downarrow\dot{x})(\otimes\Ls\dpsi\ctheta)+(\nearrow\Ls\dth) }[/math]
Alternativament, es pot fer la mateixa operació fent servir base vectorial fixa al suport:
[math]\displaystyle{ \braq{\vel{G}{T}}{B}=\vector{0}{-\dot{x}}{0}+\vector{0}{\psio}{\dth}\times\vector{\Ls\stheta}{-\Ls\ctheta}{0}=\vector{\dth\Ls\ctheta}{-\dot{x}+\dth\Ls\stheta}{-\psio\Ls\stheta} }[/math]
C4-E-Ex3-3-neut.png
Càlcul de l’acceleració de G respecte del terra
[math]\displaystyle{ \acc{G}{T}=\acc{O}{T}+\velang{anella}{T}\times(\velang{anella}{T}\times\OGvec)+\accang{anella}{T}\times\OGvec= }[/math]
[math]\displaystyle{ =(\downarrow\ddot{x})+\left[\left(\Uparrow\psio\right)+\left(\odot\dth\right)\right]\times\left(\left[(\Uparrow\psio)+(\odot\dth)\right]\times(\searrow\Ls)\right)+(\Rightarrow\psio\dth)\times(\searrow\Ls) }[/math]
El nombre d’operacions a fer és força elevat, i per aquest motiu és aconsellable fer-les directament a través de la base vectorial:
[math]\displaystyle{ \braq{\acc{G}{T}}{B}=\vector{0}{-\ddot{x}}{0}+\vector{0}{\psio}{\dth}\times\left(\vector{0}{\psio}{\dth}\times\vector{\Ls\stheta}{-\Ls\ctheta}{0}\right)+\vector{\psio\dth}{0}{\ddth}\times\vector{\Ls\stheta}{-\Ls\ctheta}{0}= }[/math]
[math]\displaystyle{ =\vector{-(\psio^2+\dth^2)\Ls\stheta+\ddth\Ls\ctheta}{-\ddot{x}+\dth^2\Ls\ctheta+\ddth\Ls\stheta}{-2\psio\dth\Ls\ctheta} }[/math]



*NOTA: En aquest web (i per manca de símbols de fletxa més precisos), tot i que les fletxes [math]\displaystyle{ \nearrow }[/math], [math]\displaystyle{ \swarrow }[/math], [math]\displaystyle{ \nwarrow }[/math] i [math]\displaystyle{ \searrow }[/math] semblen indicar que els vectors formen un angle de 45° amb la direcció vertical, no té per què ser així. Cal interpretar les fletxes de manera qualitativa, observant el dibuix que sempre acompanya aquest tipus de notació. Per exemple, l’apartat 1 de l’exercici C4-E.1, el vector [math]\displaystyle{ \OPvec }[/math] forma un angle [math]\displaystyle{ \theta }[/math] genèric amb la direcció vertical. Si el valor de l’angle [math]\displaystyle{ \theta }[/math] és menor de 90° (com a la figura), el vector [math]\displaystyle{ \OPvec }[/math] té component cap a baix i cap a la dreta.


© Universitat Politècnica de Catalunya. Tots els drets reservats




<<< C3. Composició de moviments

C5. Cinemàtica plana del sòlid rígid >>>