Introduction to fractional analysis of singular («rigid») systems of differential equations representing material objects of railway transport

Authors

  • Victor Alexeevich Nekhaev Omsk State Transport University
  • Victor Alexandrovich Nikolaev Omsk State Transport University
  • Elena Gennad'evna Leonenko Krasnoyarsk Rail Transport Institute, a branch of Irkutsk State Transport University

Keywords:

system of differential equations, singularly and regularly perturbed mathematical model, spectrum systems, asymptotic method, fractional analysis, limiting asymptotic model, «fast» and «slow» components, dimensional and dimensionless variables

Abstract

Quite often in science, as well as in transport mechanics, one faces a phenomenon in which the argument of some function is extremely small, while its value is very large, but their product is still limited in size. Such mathematical models or systems of differential equations are called «rigid». Their numerical integration requires the use of special methods, like a Gear method; otherwise, it may take too much «machine» time. Although in this case the correct result is not guaranteed either. Academician of the Russian Academy of Sciences A.N. Tikhonov proved a theorem on separating the motion of a dynamic system into «fast" and «slow» components, which, if applied correctly, guarantees a given accuracy of the solution, its basis being made up of only 5 conditions. According to the figurative and apt expression of the professor of Moscow State University I.V. Novozhilov, it’s as if the researcher first looks through a telescope  seeing a change in «slow” variables and then, looking through a microscope, obviously sees «fast» components. Unfortunately, the theoretical material devoted to this theorem is mainly published by mathematicians in the corresponding journals at the appropriate level. Engineers graduating from technical universities do not have the necessary body of mathematical knowledge to understand the Tikhonov’s theorem, although in life they often face problems requiring its application. Great efforts to introduce this theorem into applications were spent by Professor of Moscow State University I.V. Novozhilov, who published several monographs on this issue. In this article, an attempt is made from an engineering, methodological point of view to consider the solution of the well-known, and, of course, solved, Stokes problem. Exact and approximate solutions are obtained and compared.

Author Biographies

Victor Alexeevich Nekhaev, Omsk State Transport University

Doctor of Engineering Science, Full Professor, Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics

Victor Alexandrovich Nikolaev, Omsk State Transport University

Doctor of Engineering Scienc, Full Professor, Head of the Department of Theoretical and Applied Mechanics

Elena Gennad'evna Leonenko, Krasnoyarsk Rail Transport Institute, a branch of Irkutsk State Transport University

Lecturer of the Department of Electromechanics

References

Клайн С. Дж. Подобие и приближенные методы. М. : Мир, 1968. 302 с.

Вазов В. Асимптотические разложения решений обыкновенных дифференциальных уравнений. М. : Мир, 1968. 464 c.

Мищенко Е.Ф., Розов Н.X. Дифференциальные уравнения с малым параметром и релаксационные колебания. М. : Наука, 1975. 247 с.

Тихонов А.Н., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1985. 231 с.

Тихонов А.Н. Системы дифференциальных уравнений, содержащие малые параметры при производных // Математиче-ский сборник. 1952. Т. 31 (73). № 3. С. 575 –586.

Васильева А.Б., Бутусов В.Ф. Асимптотические разложения решений сингулярно возмущенных уравнений. М. : Наука, 1973. 272 с.

Красовский Н.Н., Климушев А.И. Равномерная асимптотическая устойчивость систем дифференциальных уравнений с малым параметром при старших производных // Успехи математических наук. 1963. Т. 18. № 3. С. 680 – 690.

Филиппов А.Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью // Математический сборник. 1960. Т. 51. № 1. С. 99 – 128.

Новожилов И.В. Приближенные методы исследования динамических систем. М. : МЭИ, 1980. 47 с.

Новожилов И.В. Методы разделения движений. М. : МЭИ, 1981. 48 p.

Новожилов И.В. Теория размерности и приближенные методы. М. : МЭИ, 1987. 76 с.

Новожилов И.В. Приближенные методы исследования гироскопических систем. Развитие механики гироскопических и инерциальных систем. М. : МЭИ, 1973. 456 с.

Градштейн И.С. О решениях на временной полупрямой дифференциальных уравнений с малыми множителями при производных // Математический сборник. 1953. Т. 32. С. 533 – 544.

Капустина О.М., Новожилов И.В. Разделение движений в динамике экипажа с неконтактной подвеской // Межвузов-ский тематический сборник. 1983. № 16. С. 36 – 42.

Брагин В.В., Новожилов И.В, Пшеничкина Л.А. Об устойчивости трехосного индикаторного гиростабилизатора // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1969. № 6. С. 26 – 33.

Новожилов И.В. Предельная модель системы с упругими элементами большой жесткости // Изв. АН СССР. 1988. № 4. С. 24—27.

Новожилов И.В. Разделение движений рельсового экипажа // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1980. № 1. С. 55 – 59.

Копылов И.А, Новожилов И.В. Поперечные колебания железнодорожного поезда // Изв. АН СССР. Механика твердо-го тела. 1985. № 4. С. 64—70.

Новожилов И.В. Условия застоя в системах с кулоновым трением // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1973. № 1. С. 8 – 14.

Новожилов И.В. Фракционный анализ. М. : МГУ, 1991. 188 с.

Игнатенко В.П., Куценко С.М., Гулякина Т.В. О характере сил трения в контакте катящегося по направляющей колеса // Вестник Харьк. политехнич. ин-та. 1985. № 99. С. 39–41.

Нехаев В.А. Оптимизация режимов ведения поезда с учетом критериев безопасности движения (методы и алгоритмы) : дис. … док-ра техн. наук. Омск, 2000. 356 с.

Голубенко А.Л. Сцепление колеса с рельсом. Киев : Вiпол, 1993. 448 с.

Журавлёв В.Ф. О модели сухого трения в задаче о качения твердых тел // Прикладная математика и механика. 1998. Т. 62. № 5. С. 762–767.

Киреенков А.А. О движении однородного вращающегося диска по плоскости в условиях комбинированного трения // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2002. № 1. С. 60–67.

Киреенков А.А. Метод вычисления силы трения и момента сил трения в комбинированной модели сухого трения для круговых площадок контакта // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2003. № 3. С. 48–53.

Журавлёв В.Ф. Закономерности трения при комбинации скольжения и верчения // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2003. № 4. С. 81–88.

Иванов А.П. О движении плоских тел при наличии трения покоя // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2003. № 4. С. 89–94.

Журавлёв В.Ф., Киреенков А.А. О разложениях Падэ в задаче о двумерном кулоновом трении // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2005. № 2. С. 192–202.

Published

2022-08-01

How to Cite

Нехаев, В. А., Николаев, В. А., & Леоненко, Е. Г. (2022). Introduction to fractional analysis of singular («rigid») systems of differential equations representing material objects of railway transport. Modern Technologies. System Analysis. Modeling, (2(74), 33-46. Retrieved from http://ojs.irgups.ru/index.php/stsam/article/view/816

Issue

Section

Machine construction and theoretical engineering