MONIKAPPALEMEKANIIKAN MALLINTAMINEN PARAMETRISOIMALLA SIDOSMONISTO



Samankaltaiset tiedostot
RATKAISUT: 3. Voimakuvio ja liikeyhtälö

Hallin ilmiö. Laatija - Pasi Vähämartti. Vuosikurssi - IST4SE. Tekopäivä Palautuspäivä

Telecommunication engineering I A Exercise 3

Yrityksen teoria ja sopimukset

4.3 Liikemäärän säilyminen

Vuoden Beauceron -säännöt (voimassa alkaen) Yleisiä periaatteita

Mat Koesuunnittelu ja tilastolliset mallit

Luento 6 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

Intensiteettitaso ja Doplerin ilmiö

KUINKA PALJON VAROISTA OSAKKEISIIN? Mika Vaihekoski, professori. Lappeenrannan teknillinen yliopisto

1. Luvut 1, 10 on laitettu ympyrän kehälle. Osoita, että löytyy kolme vierekkäistä

Markov-prosessit (Jatkuva-aikaiset Markov-ketjut)

X 2 = k 21X 1 + U 2 s + k 02 + k 12. (s + k 02 + k 12 )U 1 + k 12 U 2. s 2 + (k 01 + k 21 + k 02 + k 12 ) s + k

1. välikoe

Harjoituksen pituus: 90min 3.10 klo 10 12

C B A. Kolmessa ensimmäisessä laskussa sovelletaan Newtonin 2. ja 3. lakia.

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Y56 Laskuharjoitukset 3 palautus ma klo 16 mennessä

K Ä Y T T Ö S U U N N I T E L M A Y H D Y S K U N T A L A U T A K U N T A

RATKAISUT: 8. Momentti ja tasapaino

12. ARKISIA SOVELLUKSIA

MP069 alueen sähköteknisten reunaehtojen laskeminen.

arvon askelfunktion kautta tulokseksi. Verkko käyttää ainoastaan kaksiarvoisia tiloja, joko binäärisiä 0 ja 1 tai

Jaksolliset ja toistuvat suoritukset

S FYSIIKKA IV (ES), Koulutuskeskus Dipoli, Kevät 2003, LH2. f i C C. λ 2, m 1 cos60,0 1, m 1,2 pm. λi λi

3 Tilayhtälöiden numeerinen integrointi

d L q i = V = mc 2 q i 1 γ = = p i. = V = γm q i + QA i. ṗ i + Q A i + Q da i t + j + V + Q φ

KUNTIEN ELÄKEVAKUUTUS VARHAISELÄKEMENOPERUSTEISESSA MAKSUSSA LÄHTIEN NOUDATETTAVAT LASKUPERUSTEET

Rak Rakenteiden mekaniikka C, RM C (4 ov) Tentti

COULOMBIN VOIMA JA SÄHKÖKENTTÄ, PISTEVARAUKSET, JATKUVAT VARAUSJAKAUMAT

S Piirianalyysi 2 Tentti

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 24: Usean vapausasteen vaimenematon ominaisvärähtely osa 2

RATKAISUT: 7. Gravitaatiovoima ja heittoliike

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 7: Lagrangen kertojat. Pienimmän neliösumman menetelmä.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Physica 9 1. painos 1(8) 20. Varattu hiukkanen sähkö- ja magneettikentässä

S Piirianalyysi 2 Tentti

RATKAISUT: 17. Tasavirtapiirit

LUKION FYSIIKKAKILPAILU , ratkaisut PERUSSARJA

Metallikuulan vieriminen kaltevalla tasolla

Luku 16 Markkinatasapaino

1. Transistori vahvistimena

RATKAISUT: Kertaustehtäviä

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /8 Laskuharjoitus 7: Vaihtovirta-analyysin perusteet

Monte Carlo -menetelmä

Valuma-aluetason kuormituksen hallintataulukon vaatimusmäärittely

Tilastotieteen jatkokurssi 8. laskuharjoitusten ratkaisuehdotukset (viikot 13 ja 14)

Äänen nopeus pitkässä tangossa

Viivakuormituksen potentiaalienergia saadaan summaamalla viivan pituuden yli

Raja-arvot. Osittaisderivaatat.

Galerkin in menetelmä

Helka-neiti kylvyssä

Jakso 4: Dynamiikan perusteet jatkuu, työ ja energia Näiden tehtävien viimeinen palautus- tai näyttöpäivä on maanantaina

Kertausosa. 2. Kuvaan merkityt kulmat ovat samankohtaisia kulmia. Koska suorat s ja t ovat yhdensuuntaisia, kulmat ovat yhtä suuria.

10. VAKIOLÄMPÖTILASSA JA VAKIOPAINEESSA TAPAHTUVAN PROSESSIN MINIMI- JA MAKSIMI-TYÖMÄÄRÄ

r i m i v i = L i = vakio, (2)

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku. Tilastolliset testit. Avainsanat:

Turingin kone on kuin äärellinen automaatti, jolla on käytössään

FYSI1162 Sähkö / Piirianalyysi syksy kevät /7 Laskuharjoitus 6: Vaihtovirta-analyysin perusteet

LUKION FYSIIKKAKILPAILU perussarjan vastaukset PERUSSARJA

S Piirianalyysi 2 Tentti

12. laskuharjoituskierros, vko 16, ratkaisut

U missä U A := {U R n : U avoin ja U A}; intuitiivisesti suurin avoin joukko, joka sisältyy A:han. Määritellään A:n sulkeuma A := F F A

1, x < 0 tai x > 2a.

Kirjainkiemurat - mallisivu (c)

Voiman momentti. Momentin yksikkö on [M] = [F] [r] = 1 Nm (newtonmetri) Voiman F vaikutussuora

MAOL-Pisteitysohjeet Fysiikka kevät 2004

METSÄNTUTKIMUSLAITOS. tutkimusosasto. Metsäteknologian WÄRTSILA. Kenttäkoe. Tutkimusselostus

1. Oheinen kuvio esittää kolmen pyöräilijän A, B ja C paikkaa ajan funktiona.

9. Muuttuva hiukkasluku

SYNKRONIKONEET RELUKTANS- SIKONEET RM RM RM + >>L q. L d >>L q. Harjalliset -pyörivä PMSM upotetu magneetit

POSITIIVISEN LINSSIN POLTTOVÄLI

S /142 Piirianalyysi 2 1. Välikoe

PERUSSARJA. Tasapainossa punnusten painovoima on kumilangan venymistä vastustavan voiman suuruinen, mutta vastakkaissuuntainen.

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 4 Ratkaisuehdotuksia. Tehtäväsarja I

S , FYSIIKKA III (ES), Syksy 2002, LH 4, Loppuviikko 39. Partitiofunktiota käyttäen keskiarvo voidaan kirjoittaa muotoon

10 Suoran vektorimuotoinen yhtälö

Toiminta- ja taloussuunnitelma sekä talousarvio vuodelle 2010 KHALL 532

HASSEN-WEILIN LAUSE. Kertausta

1. Kaikki kaatuu, sortuu August Forsman (Koskimies)

Mat Lineaarinen ohjelmointi

YHDYSKUNTALAUTAKUNTA TALOUSARVIOEHDOTUS 2018 TALOUSSUUNNITELMA

Viikkotehtävät IV, ratkaisut

Lähdemateriaalina käytetty Pertti Louneston kirjaa Clifford Algebras and spinors [1]

lim Jännitystila Jännitysvektorin määrittely (1)

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

ILARI ÄIJÄLÄ JAETUNTEHON HYBRIDIJÄRJESTELMÄN MALLINTAMINEN

Tavoitteet skaalaavan funktion lähestymistapa eli referenssipiste menetelmä

S Piirianalyysi 2 Tentti

R 2. E tot. Lasketaan energialähde kerrallaan 10 Ω:n vastuksen läpi oleva virta.

MERKKIEN SELITYKSET. Kartta: Vt13. Parannettava tieosuus. Uusi tai parannettava yksityistie. Ohituskaistaosuus ja kaistamäärä. Kevyen liikenteen väylä

BH60A0900 Ympäristömittaukset

MAOL-Pisteitysohjeet Fysiikka kevät 2010

FYSA220/2 (FYS222/2) VALON POLARISAATIO

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

Paulin spinorit ja spinorioperaattorit

Transkriptio:

IIVISELMÄ MONIKAPPALEMEKANIIKAN MALLINAMINEN PARAMERISOIMALLA SIDOSMONISO J. MÄKINEN & H. MARJAMÄKI eknllen ekankan a optonnn lato apereen teknllnen ylopto PL 589 33101 AMPERE ää etykeä kuvataan lyhyet erätä onkappaleekankan allnnutapaa oa holonoten oehtoen uootaa oonto paraetroaan. Paraetroalla oonto pääytään lkeyhtälöhn oa oehtoa e ole lankaan näkyvllä vaan oket on upotettu oonton paraetrontkuvaukeen. Monkappaleekankan ueat holonoet oket kuten erlaet nvelet a lutt voaan varn yknkertaella tavalla paraetroa. ällä allnnutavalla aavutetaan erkttävä etua: uuttua lkeyhtälöä on näärä ekä vältytään raoteyhtälöforulaatoen nueerlta häröherkkyykltä ollon akantegronna voaan käyttää pepää aka-akelta. 1 SIDOSMONISO Monkappaleekankaa kappaleen välet erlaet ltoket a nvelet ekä reunaehot ynnyttävät oehtoa. Erlaet nvelet kuten kertyänvel a praattnen nvel ovat eerkkeä pteätä kneaattta okta otka voaan ettää geoetret puhtaat rtyävapauateen avulla. äänkaltaa oka otka voaan ettää rtyävapauateen avulla kututaan holonok okk. Määrtelä 1: Holononen ovektor (n- kappaletta oka) voaan äärtellä vektorarvoena kuvaukena h: R E n E n ( < n ) ä t on akaparaetr a x( t) h( t x) = 0 n E on yletetty pakkavektor. Mkäl oka e vo ettää ee ntegrotuna äärtelän 1 ukaella tavalla oka kututaan epäholonok. Eerkk koketuepäyhtälötä e voa ettää äärtelän ukaella oyhtälöllä vakka te ovektor rppuukn van rtyäuuttuta. Määrtelä : Holonoten oehtoen (äär. 1) ynnyttää oonto äärtellään b g n o t. n M : = t x R E h t x = 0 E Soonto M on -ulottenen leä onto el -onto oa aka on paraetrna. Soonto M knntetyllä aanhetkellä t = t 0 erktään M t0 :llä.

tangenttavaruu x0 M oonto M t0 (lan reunaa) x 0 vrtuaalnen rtyä δ x geoetret oket oonton reuna Kuva 1 Geoetrnen tulknta kneaattta okta Holonoten oehtoen uootaalla ontolla (äär. ) e ole reunaa llä reunallten ontoen yntynen eellyttää epäyhtälöraotteta. Seuraavak tutktaan pteää holonoa oka otka uootavat reunattoan onton yleeen pakka-avaruuteen. Holonolla oklla kyetään allntaaan uur oukko kappaletten välä kneaatta oehtoa kuten erlaa nvelä. Vrtuaalnen rtyä lttyy läheet oontoon llä vrtuaalnen rtyä e aa rkkoa oehtoa. on anoen vrtuaalen rtyän tulee olla kneaattet käypä rtyä kuva 1. = x( t ) knntetyllä aanhet- Määrtelä 3: Soonton tangenttavaruu tontapteeä x kellä t = t 0 äärtellään vrtuaalen rtyän δ x avulla 0 0 { b g } n M : = δ x E x M D h t x δ x = 0 D h on urekto x0 0 t0 x 0 0 x ä D x h on holonoten oten ervaatta pakkavektorn x uhteen. Määrtelä 3 raaa po onton epääännöllet pteet llä ervaattaatr oletetaan urektvek t. atrn rank on täy. Nän ollen oonton M eno e uutu. Geoetret äärtelä tarkottaa tä että käypä vrtuaalnen rtyä atee oonton enhetken tontapteen tangenttavaruuea kuva 1. SIDOSMONISON PARAMERISOINI avallat onkappaleäretelän geoetret nvelet kuten pallo- kertyä- ylnter- karaan- a ruuvnvelet ekä erlaet ohteet voaan ettää holonoten oehtoen avulla otka rppuvat van rtyävapauateta. Kakk nää oket ynnyttävät oonton oka voaan paraetroa. ää paraetront on tavallet ahollta van pakallet utta ueaalla karttalehellä voaan kuvata oonto kokonauueaan kuva. Newtonn lkeyhtälö kappaleäretelälle oa rtyäuuttua on n kappaletta voaan krottaa uooa f ( ɺ ) M ɺɺ = 0 (1)

upotuavaruu E n onto M E n ϕ1bu 1g ϕbu g ϕ 1 ϕ U 1 ϕ 1 ϕ1 U karttaleht karttaleht paraetravaruu E Kuva Soonton M paraetront kahen karttalehen avulla kun n = 3 a = ä f( ɺ ) on rtytä a nopeukta rppuva yletetty voavektor M on aatenor a ɺɺ on khtyvyyvektor. Vaataan läk että äretään tulee toteuttaa holonoet oket h:e n n E otka tuottavat -onton E n :ä n o t. () M : = t R n E h( t ) = 0 E Oletetaan yö että oonto M on äännöllnen kakkalla ollon oten ervaatta D h on urektvnen oonton okaea pteeä. Nyt vrtuaalen työn peraate ongelalle (1) oontolla () on b g 0. (3) δw = f ( ɺ) M ɺɺ δ = Yletetty voavektor f voaan akaa annettuhn von f appl 0 M a ovon f con 0 M oen vrtuaalnen työ hävää. Vrtuaalnen rtyä δ kuuluu oonton tangenttavaruuteen 0 M kä voaan antaa uooa Oletetaan että rtyävektor E n o t. (4) n M = δ E D h( t ) δ = 0 0 0 0 voaan akaa äntärtyävektork E a orartyävektork E n ten että ervaattaatrlla D h( t ) kä on nelöatr on oleaa käänteatr. Iplttfunktolaueen noalla on oleaa kuvau n φ( t ): R E E tontapteen ypärtöä ten että h ɵ ( t ): = h( t φ ( t )) = 0. (5) Nän ollen orartyävektor E n voaan ettää äntärtyävektorn E avulla t. = φ( t ). Läk oonton M paraetront voaan krottaa nyt uoraan ku-

vauken φ( t ) avulla ϕ: R E M ( t ) ϕ( t ): = φ( t ) b g. (6) Paraetrontkuvau ϕ toteuttaa oket h( t ϕ( t )) = 0 kaavan (5) peruteella. onaan oket voaan antaa aata rppuattoaa uooa h( ): = φ ( ) = 0 kä antaa luonnollen oonton M paraetronnn llä D h( t ) = I. arkatellaan euraavak aata rppuatonta oonton M paraetrontkuvauta n ϕ:e M E = ϕ( ). (7) Srtyävektorn M varaato äntärtyävektorn E avulla lauuttuna on δ δ = B B: = D ϕ( ) (8) ä B kneaattnen operaattor B: E = E E n M tangenttavaruuken välllä. Srtyävektorn akaervaatat ovat vataavat ɺ = B ɺ M ɺɺ = B ɺɺ + Bɺ ɺ M ä kneaatten operaattorn akaervaatta ɺB yleenä epälneaaret äntärtyävektorta a lneaaret nopeuvektorta ɺ. ää nähään yhteyetä (9) Bɺ = D B ɺ ɺ B ɺ = D ϕ ( ):(ɺ ɺ ) (10) ä älkänen yhtälö ettää nelölltä rppuvuutta nopeuvektorta ɺ. Nyt vrtuaalen työn peraate (3) oontolla M voaan krottaa paraetravaruuea E yhteyken (7-9) avulla δ B f( ɺ ) MBɺɺ MB ɺɺ = δ c h 0 E (11) ä oket () toteutuvat autoaattet paraetronnn (7) anota. on anoen holonoet oket on nyt upotettu vrtuaalen työn peraatteeeen (11) ollon aatu lkeyhtälö rppuu van äntärtyävektorta a en akaervaatota. Vrtuaalen työn (11) lnearont aanhetkellä t = t 0 tontapteen ypärtöä ( 0 ɺ 0 ) E E uuntaan ( ɺ ) antaa tuloken b g 0 E (1) δ f M ɺɺ ɺ K = δ 0 ä yletetty äntävoavektor f 0 äykkyy- vaennu- a aatenort ovat vataavat

oonto M E n x0 M upotuavaruu E n f x 0 ϕ( ) x f paraetravaruu E Kuva 3 Yletetyn voavektorn kuvau upotuavaruueta paraetravaruuteen f : = B f( ɺ ) MB ɺɺ E K : = D B ( f( ɺ ) + MBɺɺ + MB ɺɺ ) E : = D B ( f( ɺ ) + MB ɺɺ ) E M 0 c ɺ 0 0 0 : = B MB E. h (13) Yllä oleven yhtälöen avulla voaan ohtaa paraetravaruuen voavektorn ekä tangentttenort a aatenorn kun paraetrontkuvau: ϕ:e M on oleaa. avallet orartyävektor oataan lauua äntärtyävektorn avulla ollon orakuvau = φ( ) tunnetaan. ällön paraetrontkuvau ϕ euraa uoraan yhtälötä (6). Yletetty voavektor f Newtonn lkeyhtälöä (1) ältää ekä kuortuketa ohtuvan ulkoen voavektorn äen voavektor että nopeueta rppuvan khtyvyyvoavektorn ext nt accb f( ɺ ) = f ( ) f ( ɺ ) f ( ɺ ) E n (14) ext nt accb ä f f an f ovat ulkonen a änen voavektor ekä nopeueta rppuva khtyvyyvoavektor. Upotuavaruuen rtyävektor tunnetaan paraetrontkuvauken = ϕ( ) avulla. Upotuavaruuea E n n voaan äärtellä euraavat tangentttenort nt nt K : = D f ( ɺ ) : = D f ( ɺ ) ext K : = D f ( ) loa acc acc K : = D f ( ɺɺɺ) : = D f ( ɺɺɺ). cent gyro ɺ ɺ (15) Sottaalla yhteyet (14-15) yhtälöön (13) aaaan

ext nt accb f : = B f ( ) f ( ɺ ) f ( ɺ ) MB ɺɺ E ext nt acc K : B ( K loa K K cent ) B ( gyro ) B ɺ MB ɺɺ = + + + + + + Kσ( f + f + f ) E (16) : = B ( + ) B + MBɺ E M 0 gyro : = B MB E 0 acc acca accb ä khtyvyyvektor f = f + f E n a geoetrnen äykkyytenor K σ äärtellään K ( f ): = D ( B f ) (17) σ ä vektora f petään ervonna vakona; erknnällä f. Geoetrnen äykkyytenor K σ on yetrnen tenor llä kaavan (8b) ukaan K σ ( f ) = D ( ϕ f ).. geoetrnen äykkyytenor on kalaarfunkton tonen ervaatta äntärtyävektorn uhteen. Yhtälöen (16) avulla voaan ohtaa paraetravaruuen E yletetyn voavektorn a tangentttenort ekä aatenorn kun vataavat uureet upotuavaruuea E n a kneaattnen operaattor B ekä en akaervaatat tunnetaan. Anoataan geoetrnen äykkyytenor K σ kaava (17) on hean vakean lakettava. 3 ERIYISIÄ PALKKIELEMENEJÄ ää kappaleea etellään par erkoeleenttä otka ältävät holonoen oehon. Soonto paraetroaan a yletetty voavektor ekä tenort etetään oonton paraetravaruuea. Saatua ertyeleentteä voaan käyttää eleenttenetelää tavanoaten eleentten tapaan ekä tällön lkeyhtälöä ole tällön lankaan oehtoa näkyvä vaan ne ovat upotettuna paraetrontkuvaukeen = ϕ( ) 3.1 Kopleentaarnen palkkeleentt Kuten tunnettua e ole oleaa kertyoperaattorn paraetronta oka ol aalla ekä globaal että e-ngulaarnen. Eerkk kaklla kertyoperaattorn Eulern kulaetyuoolla on oleaa tontapte oa paraetront on ngulaarnen. Seuraavak etellään kopleentaarnen palkkeleentt oa kertyoperaattor kuvataan kahella karttalehellä. ällä enettelyllä vältytään ngulaaruuongelta. Mkä tahana kertyoperaattor R voaan ettää kertyävektorn Ψ avulla oka äärtellään. 3 Ψ : = ψ n n E ψ R + (18) ä n on kertyakeln ykkövektor n = 1 a ψ on potvnen kertykula. Kertyävektorn Ψ a kertyoperaattorn R välllä on yhtey n ψ ~ 1 co ~ R: = I + + ψ Ψ Ψ = exp Ψ ~ ψ = Ψ ψ ψ ä vnoyetrnen tenor ~ Ψ äärtellään kaavalla e (19) ~ Ψ h = Ψ h h E 3. (0)

kertyonto SO(3) paraetrontkuvau exp( Ψ ~ ) π Ψ π paraetronnn vahto π paraetrontkuvau exp( Ψ ~ ) π karttaleht Ψ kopleenttkarttaleht Kuva 4 Kertyonton kak paraetronta kertyävektorn a en kopleenttvektorn avulla on anoen ~ Ψ on akelvektora Ψ vataava vnoyetrnen tenor. Kuvaa 4 on etetty kertyonton a en paraetronnn geoetrnen tulknta. Kertyävektor Ψ on kertyoperaattorn paraetront oa tään paraetrontkuvau ϕ on nyt atrekponenttkuvau exp( Ψ ~ ). Kertyävektoretyuoto on ngulaarnen kertykulan arvolla ψ = π. ällön nollakertyvektor ekä kertyvektor onka ptuu on π kuvautuvat aak pteek entteetk I. Kertyoperaattoreen uootavat kertyonton SO( 3 ) oka voaan äärtellä kaavalla o t. (1) 3 3 SO( 3): = R: E E lneaarnen R R = I et R = + 1 Kertyoperaattor R on ortogonaalnen operaattor oka älyttää kuvaukea alkuperäen kätyyen. Kaava äärttää epäuorat ervotuvan onton oa ortogonaaluuehto aettaa kuu totaan rppuatonta oehtoa kertyoperaattorlle ollon kertyoperaattoreen oukko SO( 3 ) uootaa 3-ulotteen pnnan ta okean 3-onton 9-ulotteeen avaruuteen. Kertyonto voaan paraetroa van pakallet utta o kahella karttalehellä tää paraetront voaan uorttaa täyn pettävät. Kertyvektorn etyuoon ngulaaruuongelat kertyäkulan arvolla ψ = π voaan välttää äärtteleällä yö tonen karttaleht oka paraetro täyentävät kertyontoa. Kopleenttkertyävektor Ψ äärtellään kaavalla Ψ : = Ψ π Ψ ( = φ( )) ψ = Ψ () ψ Kertyävektor kuvataan kopleenttkertyävektork kun kertykula ylttää okokulan t. ψ > π. ällön kopleenttkertyäkula ψ = π ψ oka on penep kun okokula t. ψ < π. Kuvaa 4 on etetty paraetronnn vahot alkuperäetä kertyävektorparaetronnta kopleentaareen kertyävektorparaetrontn. Nällä kahella karttalehellä kä tahana kertylke voaan kuvata kattavat.

kopleentaarnen palkkeleentt Ψ 1 Ψ tavallnen palkkeleentt Ψ 3 ulokepalkk kuortettuna Ψ 1 Ψ tavallnen palkkeleentt Kuva 5 lanne ollon kopleentaarta palkkeleenttä tarvtaan Dynakan lakennaa uurlla kertyllä ouutaan uen tlanten oa kakoluen palkkeleentn tonen olun kertyävektor etetään kopleenttkarttalehellä a tonen kertyävektor präärellä karttalehellä. ällön nterpolont oluen välllä e ole voaa. Kuvaa 5 on etetty tlanne ollon täänkaltata ertyeleenttä kavataan. Kuvaa olun 1 kertyävektor etetään kopleenttvektorna Ψ 1 llä kertyäkula on ylttänyt arvon π a olua kertyävektor etetään präärellä karttalehellä Ψ llä olun kertyäkula on penep kun okokula. Interpolontongela voaan ratkata äntä-orateknkkaa käyttäen. Nyt kopleenttkertyävektor Ψ vataa orartyävektora E 3 a kuvan 5 va- eanpuoleen palkn olurtyävektor on ( 1 Ψ1 Ψ ) ä on olun tranlaatortyä vataa äntärtyävektora E 1. = φ( ) on uoraan kaavan () ukanen kuvau onka varaato a akaer- Orakuvau vaatat ovat ä orartyän kneaattnen operaattor B Bɺ ɺ ( ɺ = B Ψ Ψ ) a B ɺɺ ɺɺ ( ɺ ɺɺ = B Ψ Ψ Ψ ) ovat δψ = B δψ Ψɺ = B Ψɺ (3) Ψɺɺ = B Ψɺɺ + Bɺ Ψɺ = B ( ) a en aan uhteen laketut ervaatat Ψ B = ( 1 π ) I + π 3 3 e e E ψ ψ Bɺ = π ( e ɺ ) I + ( ɺ e + e ɺ ) ( e ɺ ) 3 3 Ψ Ψ Ψ 3 Ψ e e E ψ Bɺɺ = π ( e Ψɺɺ ) + (ɺ e Ψɺ ) I+ Ψɺɺ e+ e Ψɺɺ + Ψɺ eɺ + eɺ ɺ Ψ + ψ 6π ( e Ψɺɺ ) + (ɺ e Ψɺ ) e e+ ( e Ψɺ )(ɺ e e+ e e ɺ) ( e Ψɺ ) Bɺ. ψ ψ (4) ä kertyakel e = Ψ / ψ. Upotuavaruuen rtyävektor E 15 :ä äntärtyävektor a orartyävektor ovat

F F := H G I K J = HG Kaavaa (4) on annettu orakuvauken Ψ Ψ Ψ 1 1 I KJ 15 E. (5) = φ( ) kneaattnen operaattor. Paraetrontkuvauken = ϕ( ) kneaattnen operaattor B a en akaervaatat ovat vataavat F I B = HG I O O B B O B K J =F HG I O B K J F = HG I 1 1 O B K J 15 1 1 1 1 1 E ɺ ɺ ɺɺ ɺɺ (6) c h c h b 3 9 g 3 9 3 9 Kaavoen ukaet (16) voavektor f 0 a tenort K a M paraetravaruuea E 1 voaan lakea uoraan kun velä kaavan (17) geoetrnen äykkyytenor K σ laketaan: K σ O O O 9 9 9 3 = F H G I K J 3 9 K σ E 1 1 Kσ = π 3 3 ( f e) I + f e + e f 3( f e) e e E ψ (7) ä oravoavektorn f E 3 vapauateet vataavat orartyävektora Ψ. Voavektor f 0 tangentttenort K a aatenor M paraetravaruuea E 1 aaaan kaavoen (16) avulla kun upotuavaruuen E 15 voavektor f tangentttenort K loa K K cent gyro a aatenor M on lakettu. Nää upotuavaruuen uureet tunnetaan llä eleentn olurtyävektor ( 1 Ψ1 Ψ ) on oa upotuavaruuen rtyävektora kaavan (5) peruteella. 3. Kertyänveleleentt ää kappaleea etetään erkopalkkeleentt oka ptää ällään kerty- el arananvelen. Kertynvelelle pätee kneaattnen yhtey kertyoperaattoreen välllä R = R R (8) ä R = R( Ψ ) on oraolun kertyoperaattor a R = R( Ψ ) on äntäolun kertyoperaattor a R = R( ϕe ) on kertynvelen kertyoperaattor ä ϕ on nvelen kertykula (potvnen ta negatvnen a nkä kokonen tahana) a e on kertynvelen kertyakel alkutlaa. Varoalla yhtey (8) aaaan kneaattnen relaato äntä a orakertyen vällle δθ = R δθ + e δϕ (9) ä δθ an δθ ovat aneella kertyäläyvektoreta äntä a oraolua. Kertyoperaattorn varaatolle aneellea etyuooa pätee yhtey δr = Rδ Θ ~ ä vrtuaalnen aneellnen kertyäläyvektorlle δθ a vrtuaalelle kokonakertyävektorlle δψ on

voaa relaato δ Θ = δ Ψ nψ 1 ψ ψ ψ = co ~ n : I Ψ + Ψ Ψ (30) 3 ψ ψ ψ ψ : = Ψ R = exp( Ψ) l ( Ψ) = I ä tangentaalnen uunno on ngulaarnen kertyäkulan arvolla π. Sottaalla yhtey δθ = δ Ψ ä = ( Ψ ) kaavaan (9) aaaan ora- a äntäkertyen vällle kneaattnen yhtey ä orakuvauken F = B H G I KJ Ψ 0 δψ δψ δϕ B R e c 1 1 = = φ( ) kneaattnen operaattor B E 3 4 a h = ( Ψ ). Orartyävektor äntärtyävektor a upotuavaruuen E 16 rtyävektor ovat tää tapaukea Ψf = = G J F = H G I Ψ E K J 3 E 13 E 16. Ψ ä f eutaa eleentn vapaata olua. Nyt paraetrontkuvauken kneaattnen operaattor B a en akaervaatat B ɺ a B ɺɺ ovat erkntöen (3) ukaet F G HG f ϕ I J KJ (31) (3) F I B = HG I O O B B O B K J =F HG I O B K J F = HG I 16 13 O B K J 19 13 16 13 16 13 E ɺ ɺ ɺɺ ɺɺ (33) c h c h b 3 9 g 3 9 3 9 ä orakuvauken kneaatten operaattorn akaervaatat ovat ɺ ɺ -1-1ɺ -1 ɺ ɺ -1 B = R + R + R e (34) Bɺɺ ɺɺ -1-1 R Rɺɺ -1 R ɺɺ ɺ -1 Rɺ ɺ -1 R ɺ -1 Rɺ ɺ ɺɺ -1 = + + + + + e. Lopuk kaavan (17) ukanen geoetrnen äykkyytenor K σ on K σ = F HG O O O O 0 y. O O O 0 O O 0 K k ΨΨ Ψϕ k ϕϕ I KJ E 13 13 (35)

ä oatenort voaan ettää uooa 1 3 3 K = R f Ψ + R f Ψ R E ΨΨ 1 k = R f Ψ e R ~ e f E Ψϕ k ϕϕ b g b g b g 6 3 1 6 1 1 1 = e f Ψ e E 6 (36) ä oravoavektor f E 3 vataa orakertyävektorn Ψ vapauateta. enort a 6 ekä tangentaalen uunnoken akaervaatat a kääntetenor 1 ekä en akaervaatat on etetty lähteeä [1]. Voavektor f 0 tangentttenort K a aatenor M paraetravaruuea E 13 aaaan kaavoen (16) avulla kun upotuavaruuen E 16 voavektor f tangentttenort K loa K K cent gyro a aatenor M on lakettu. Nää upotuavaruuen uureet ovat tunnettua llä palkkeleentn olurtyävektor ( f Ψf Ψ ) on oa upotuavaruuen rtyävektora. 4 NUMEERINEN ESIMERKKI e EA = GA = GA = 10 3 GJ = EI = EI = 10 3 J = J = J = 1 1 3 Aρ = 1 L = 5 0 5 6 θ( t ) 1 5 0 5 t L kertyänvel L e 1 θ( t ) A e 3 w( t) = θ ( t) Kuva 6 Kak palkk otka on kytketty tona kertyänvelellä Nueerena eerkkongelana käytetään kuvaa 6 etetty kahen kappaleen ongelaa oa kappaleet on kytketty tona kertyä- el arananvelen avulla. Kertyänvelen kertyakel on alkutlaaan e 3 -uunnaa. Alkutlaaan orgoa atevalle alkupäälle annetaan kuvan 6 ukanen aata rppuva pakkokertyä θ( t ) e 3 -uuntaa ekä aanakanen pakkortyä w( t) = θ ( t) yö e 3 -uuntaa. ranenttvate laketaan Newarkn akantegroenetelällä oa eneteläparaetrek valtaan β = 1/ 4 a γ = 1/ kä vataa vakokhtyvyykaavaa. Aka-akeleena käytetään vakoakelta h = 0 01. Ongelata tehään kak lakentaalla oa toea kukn kappale aetaan taavälen nelään palkkeleenttn a toea alla 0 palkkeleenttn. ällön toea lakentaalla on kakkaan 8 palkkeleenttä a toea 40 eleenttä. Kertyänvel allnnetaan kappaleea 3. etetyn kertyänveleleentn avulla läk käytetään tarvttaea kappaleea 3.1 kuvattua kopleentaarta palkkeleenttä. Eerkkongelan kärkpteen A akavateet on etetty kuvaa 7.

0 8 p horzontal placeent 4 6 8 10 1 40 eleent 8 eleent p vertcal placeent 7 6 5 4 3 1 40 eleent 8 eleent 14 0 16 0 0.5 1 1.5.5 3 e t [] 1 0 0.5 1 1.5.5 3 e t [] 4 18 3.5 16 p out of plane placeent 3.5 1.5 1 0.5 40 eleent 8 eleent p placeent nor 14 1 10 8 6 4 40 eleent 8 eleent 0 0.5 0 0.5 1 1.5.5 3 e t [] 0 0 0.5 1 1.5.5 3 e t [] Kuva 7 Eerkkongelan rtyävateet yläkuva kärkpteen A rtyä e 1 -uuntaan (va.) a rtyä e -uuntaan ekä alakuva kärkpteen rtyä e 3 -uuntaan (va.) ekä kokonartyä 5 JOHOPÄÄÖKSE ää etykeä kuvattn lyhyet erätä onkappaleekankan allnnutapaa oa holonoten oehtoen uootaa oonto paraetroaan. Paraetroalla oonto pääytään lkeyhtälöhn oa oehtoa e ole lankaan näkyvllä vaan oket on upotettu oonton paraetrontkuvaukeen. ätä oonton paraetrontenetelää kututaan eleenttenetelää äntä-orateknkak. Lähteeä [] on etetty taotapaukea telekoopppuoton allntanen äntä-orateknkkaa käyttäen. Monkappaleekankan ueat holonoet oket kuten erlaet nvelet a lutt voaan varn yknkertaella tavalla paraetroa. ällä allnnutavalla aavutetaan erkttävä etua: uuttua lkeyhtälöä on näärä ekä vältytään raoteyhtälöforulaatoen nueerlta häröherkkyykltä ollon akantegronna voaan käyttää pepää aka-akelta. Läk oonton paraetront aholltaa kontentten tangentttenoreen lakeen. LÄHDEVIIEE [1] Mäknen J. (004) A Forulaton for Flexble Multboy Mechanc Lagrangan Geoetrcally Exact Bea Eleent ung ontrant Manfol Paraetrzaton Y eknllnen ekankka a optont tutkuraportt 004:3 89. URL: http://www.tut.f/~aakn/vk.pf [] Maraäk H. & Mäknen J. (003) Moellng elecopc Boo he Plane ae: Part I oputer & Structure 81(16) pp. 1597-1609.