В курсе теоретической механики при движении материальной точки массы \(m\) по гладкой поверхности вращения \(r = r(q),\; z = z(q)\) в потенциальном поле \(U(q)\) функция Лагранжа имеет вид:
Так как координата \(\varphi\) является циклической (\(\frac{\partial L}{\partial \varphi} = 0\)), система имеет два первых интеграла — интеграл площадей и интеграл энергии:
Разрешая уравнение энергии относительно обобщённой скорости \(\dot{q}\), мы приводим задачу к квадратурам:
Численная проблема точек поворота (апсид) и её решение в программе
В точках поворота \(q_{\min}\) и \(q_{\max}\), где частица касается ограничивающих параллелей, подкоренное выражение обращается в нуль: \(\Phi(q) = 0\). Подынтегральная функция \(\frac{1}{\sqrt{\Phi(q)}}\) стремится к бесконечности! Обычное прямое суммирование интеграла по \(dq\) вблизи \(q_{\min}, q_{\max}\) приводит к делению на ноль или застреванию частицы.
Однако если корень простой (\(\Phi'(q_i) \neq 0\)), эта особенность интегрируема (\(\int \frac{dq}{\sqrt{|q - q_i|}} < \infty\)). В нашей лаборатории используются два классических приёма аналитической механики:
-
Для точного вычисления периода \(T_q\) и апсидального угла \(\Delta\varphi\): выполняется тригонометрическая замена Чебышёва (переход к униформизирующей угловой переменной \(\chi \in [0, \pi]\)):
Корни \((q - q_{\min})(q_{\max} - q)\) сокращаются с дифференциалом \(dq = \frac{q_{\max}-q_{\min}}{2}\sin\chi\,d\chi\), и квадратура вычисляется с машинной точностью по формуле Гаусса — Чебышёва.
-
Для гладкой анимации траектории напрямую из \(\Phi(q)\) и \(\Psi(q)\): при либрации между \(q_{\min}\) и \(q_{\max}\) мы интегрируем уравнения по гладкой фазе \(\chi(t)\), где \(\frac{d\chi}{dt} = \sqrt{\frac{\Phi(q(\chi))}{(q - q_{\min})(q_{\max} - q)}}\). Благодаря этому знаменатель никогда не обращается в нуль, и частица идеально отражается от апсидальных параллелей, наглядно разворачивая многозначную ветвь квадратурного интеграла \(t(q)\) и \(\varphi(q)\).