Кіріспе
Бұл қозғалыс төрт тұрақтыға ие: дененің кинетикалық энергиясы және инерциялық зертханалық кадрға қатысты көрсетілген бұрыштық импульстің үш компоненті. Қатты ротордың бұрыштық жылдамдық векторы тұрақты емес, бірақ Эйлер теңдеулерін қанағаттандырады. Кинетикалық энергия мен бұрыштық импульстің сақталуы қозғалыс қозғалысына екі шектеуді қамтамасыз етеді. Бұл теңдеулерді нақты шешпестен, қозғалыс геометриялық түрде былайша сипатталуы мүмкін: Қатты дененің қозғалысы оның инерциялық эллипсоидтың қозғалысымен толықтай анықталады, ол қатты денеге координаттық шеңбер сияқты қатты бекітіледі. Оның инерциялық эллипсоиды ауытқуысыз, өзгермейтін жазықтықта, эллипсоидтың орталығы жазықтықтан жоғары тұрақты биіктікте. Әр уақытта - эллипсоид пен жазықтық арасындағы байланыс нүктесі. Қозғалыс кезеңді, сондықтан екі жабық қисық сызық бар, бірі эллипсоидқа, екіншісі жазықтыққа. Эллипсоидтағы жабық қисық - полигода. Ұшақтағы жабық қисық - герполода. Егер қатты дене симметриялық болса (екінші тең инерция моменті болса), вектор конусты сипаттайды (және оның ұшы шеңбер). Бұл ротордың айналу осімен айналысудың кернеусіз прецессиясы.
In classical mechanics, Poinsot's construction (after Louis Poinsot) is a geometrical method for visualizing the torque free motion of a rotating rigid body, that is, the motion of a rigid body on which no external forces are acting. This motion has four constants: the kinetic energy of the body and the three components of the angular momentum, expressed with respect to an inertial laboratory frame. The angular velocity vector of the rigid rotor is not constant, but satisfies Euler's equations. The conservation of kinetic energy and angular momentum provide two constraints on the motion of
Without explicitly solving these equations, the motion can be described geometrically as follows:
The rigid body's motion is entirely determined by the motion of its inertia ellipsoid, which is rigidly fixed to the rigid body like a coordinate frame. Its inertia ellipsoid rolls, without slipping, on the invariable plane, with the center of the ellipsoid a constant height above the plane. At all times, is the point of contact between the ellipsoid and the plane. The motion is periodic, so traces out two closed curves, one on the ellipsoid, another on the plane. The closed curve on the ellipsoid is the polhode. The closed curve on the plane is the herpolhode. If the rigid body is symmetric (has two equal moments of inertia), the vector describes a cone (and its endpoint a circle). This is the torque free precession of the rotation axis of the rotor.
Дененің қаңқасындағы полгодтардың алынуы
Негізгі осьтік кадрда (бұл абсолютті кеңістікте айналады) бұрыштық импульс векторы қолданылған айналым моменттері болмаған кезде де сақталмайды, бірақ Ойлер теңдеулерімен сипатталғандай өзгереді. Алайда, қолданылған айналым моменттері болмаған жағдайда, бұрыштық импульс пен кинетикалық энергияның мөлшері сақталады, мұнда a - негізгі осьтердегі бұрыштық импульс векторының құрамдас бөліктері, ал a - негізгі инерция моменті. Бұл сақтау заңдары үш өлшемді бұрыштық импульс векторының екі шектеуіне тең. Кинетикалық энергия эллипсоидқа орналасады, ал бұрыштық импульс шектеулері сфераға орналасады. Бұл екі бет екі қисықпен қиылысады, олар тактоның жиегі сияқты, бұл мүмкін шешімдерді анықтайды. Бұл , және полигоды, нысанның жылжымалы эталондық жүйесінде жабық циклде қалады. Демек, дененің кеңістіктегі бағыты екі еркіндік дәрежесіне ие. Біріншіден, "тако жиегіндегі" қандай да бір нүкте абсолюттік кеңістікте тұрақты вектормен тура тұруы керек. Екіншіден, дене шеңберіндегі вектор осы нүкте арқылы өтеді, дене сол вектордың айналасында кез келген айналуды жасай алады. Принцип бойынша, дененің бағыты - барлық бағыттардың 3-ші көптікінің ішіндегі 2-ші көптіктегі тороидтік нүкте. Жалпы, объект осы торда мерзімді емес жолмен жүреді, бірақ ол мерзімді жолмен жүруге болады. Дененің шеңберіндегі трассаны айналдыру үшін бір циклді аяқтау уақыты тұрақты, бірақ циклден кейін дене рационалды сандық дәрежеде емес, рационалды сандық дәрежеде айналады, бұл жағдайда бағдар кезеңді емес, бірақ шамамен кезеңді болады. Жалпы, тор үш параметрмен анықталады: екінші және үшінші инерция моменті мен ең жоғары инерция моменті арасындағы қатынас және бұрыштық импульс пен ең жоғары инерция моменті көбейтіндісінің энергиясына қатысты қатынас. Бірақ кез келген осындай параметрлер жиынтығы үшін екі tori бар, өйткені екі "тако" (екі polhodes сәйкес). 180° айналулар жиынтығы бір тордың кез келген бағытын екінші тордың бағытына айналдырады, ал қарама-қарсы нүкте бұрыштық импульс векторымен сәйкестендіріледі. Егер бұрыштық импульс негізгі осьтермен дәл сәйкес келсе, торус бір ғана циклге айналады. Егер дәл екі инерция моменті тең болса (симметриялық дене), онда ториден басқа шексіз санда бұрандалар болады, ал егер барлық үш инерция моменті тең болса, бұрандалар болады, бірақ тори болмайды. Егер үш инерция моменті әр түрлі болса, бірақ аралық ось бұрыштық импульспен тура келмесе, онда бағдар топологиялық ашық шанақтағы қандай да бір нүкте болады.
where the are the components of the angular momentum vector along the principal axes, and the are the principal moments of inertia. These conservation laws are equivalent to two constraints to the three dimensional angular momentum vector The kinetic energy constrains to lie on an ellipsoid, whereas the angular momentum constraint constrains to lie on a sphere. These two surfaces intersect in two curves shaped like the edge of a taco that define the possible solutions for This shows that , and the polhode, stay on a closed loop, in the object's moving frame of reference. The orientation of the body in space thus has two degrees of freedom. Firstly, some point on the "taco edge" has to align with which is a constant vector in absolute space. Secondly, with the vector in the body frame that goes through this point fixed, the body can have any amount of rotation around that vector. So in principle, the body's orientation is some point on a toroidal 2 manifold inside the 3 manifold of all orientations. In general, the object will follow a non periodic path on this torus, but it may follow a periodic path. The time taken for to complete one cycle around its track in the body frame is constant, but after a cycle the body will have rotated by an amount that may not be a rational number of degrees, in which case the orientation will not be periodic, but almost periodic. In general a torus is almost determined by three parameters: the ratios of the second and third moments of inertia to the highest of the three moments of inertia, and the ratio relating the angular momentum to the energy times the highest moment of inertia. But for any such a set of parameters there are two tori, because there are two "tacos" (corresponding to two polhodes). A set of 180° rotations carries any orientation of one torus into an orientation of the other with the opposite point aligned with the angular momentum vector. If the angular momentum is exactly aligned with a principal axes, the torus degenerates into a single loop. If exactly two moments of inertia are equal (a so called symmetric body), then in addition to tori there will be an infinite number of loops, and if all three moments of inertia are equal, there will be loops but no tori. If the three moments of inertia are all different and but the intermediate axis is not aligned with the angular momentum, then the orientation will be some point on a topological open annulus.
Ерекше жағдай
Үш негізгі оське қатысты инерция моменті әр түрлі мәндерге ие симметриясыз дененің айналу жағдайында, дененің негізгі оське айналуы болмаса, айналу қозғалысы өте күрделі болуы мүмкін. Теннис ракеткасы теоремасында сипатталғандай, объектінің бірінші немесе үшінші негізгі осьтің айналасындағы айналуы тұрақты, ал екінші негізгі осьтің (немесе аралық осьтің) айналасындағы айналуы тұрақты емес. Қозғалыс осьтік симметриялы дене жағдайында оңайлатылады, онда инерция моменті негізгі осьтердің екеуі бойынша бірдей болады. Бұл жағдайларға пролатты сфероидтің (американдық футбол пішіні) немесе облетатты сфероидтің (жазық шар пішіні) айналуы жатады. Бұл жағдайда бұрыштық жылдамдық конусты сипаттайды, ал полиод - шеңбер. Бұл талдау, мысалы, планетаның айналуының осьтік прецессиясына (областы сфероидтың жағдайы) қолданылады.
Қолданбалар
Пуано конструкциясының бір қолданылуы - орбитадағы ғарыш кемесінің айналуын бейнелеу.