🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

Nonholonomic mechanical systems on a plane with a variable slope

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This paper considers such nonholonomic mechanical systems as Chaplygin skate, inhomogeneous Chaplygin sleigh and Chaplygin sphere moving in the gravity field along an oscillating plane with a slope varying with the periodic law. By explicit integration of the equations of motion, analytical expressions for the velocities and trajectories of the contact point for Chaplygin skate and Chaplygin sleigh are obtained. Numerical parameters of the periodic law for the inclination angle change are found, such that the velocity of Chaplygin skate will be unbounded, that is, an acceleration will take place. In the case of inhomogeneous Chaplygin sleigh, on the contrary, numerical parameters of the periodic law of the inclination angle change are found, for which the sleigh velocity is bounded and there is no drift of the sleigh. For similar numerical parameters and initial conditions, when the sleigh moves along a horizontal or inclined plane with the constant slope, the velocity and trajectory of the contact point are unbounded, that is, there is a drift of the sleigh. A similar problem is solved for the Chaplygin sphere; its trajectories are constructed on the basis of numerical integration. The results are illustrated graphically. The control of the slope of the plane, depending on the angular momentum of the sphere, is proposed for discussion. Regardless of the initial conditions, such control can almost always prevent the drift of the sphere in one of the directions.

About the authors

Evgeniya A. Mikishanina

Steklov Mathematical Institute of Russian Academy of Sciences
Chuvash State University

Author for correspondence.
Email: evaeva_84@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4408-1888

Ph.D.(Phys.-Math.),

Researcher, Department of Mechanics, 

associate professor, Department of Actuarial and Financial Mathematics

 

Russian Federation, 8 Gubkina st., Moscow 119991, Russia 15 Moskovskii av., Cheboksary 428015, Russia

References

  1. A. V. Borisov, I. S. Mamaev, "The dynamics of a Chaplygin sleigh", J. Appl. Math. Mech., 73:2 (2009), 156–161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jappmathmech.2009.04.005
  2. I. A. Bizyaev, "A Chaplygin sleigh with a moving point mass", Vestnik Udmurtskogo Universiteta. Matematika. Mekhanika. Komp’yuternye Nauki, 27:4 (2017), 583–589 (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.20537/vm170408
  3. A. V. Karapetyan, A. Y. Shamin, "On motion of Chaplygin sleigh on a horizontal plane with dry friction", Mechanics of Solids, 54:5 (2019), 632–637. DOI: https://doi.org/10.20537/nd190205
  4. S. A. Chaplygin, "On a ball’s rolling on a horizontal plane", Regul. Chaotic Dyn., 7:2 (2002), 131–148. DOI: https://doi.org/10.1070/RD2002v007n02ABEH000200
  5. A. A. Kilin, "The dynamics of Chaplygin ball: The qualitative and computer analysis", Regul. Chaotic Dyn., 6:3 (2001), 291–306. DOI: https://doi.org/10.1070/RD2001v006n03ABEH000178
  6. E. A. Mikishanina, "Dynamics of the Chaplygin sphere with additional constraint", Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 117 (2023), 106920. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2022.106920
  7. A. V. Borisov, I. S. Mamaev, "Chaplygin’s Ball Rolling Problem Is Hamiltonian", Math. Notes, 70:5 (2001), 720–723. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1012995330780
  8. A.V. Borisov, A. O. Kazakov, I. R. Sataev, "Regular and chaotic attractors in nonholonomic Chaplygin top model", Nelin. dinam., 10:3 (2014), 361–380 (In Russ.), https://www.mathnet.ru/eng/nd450.
  9. A.V. Borisov, A. O. Kazakov, I. R. Sataev, "Spiral Chaos in the Nonholonomic Model of a Chaplygin Top", Regul. Chaotic Dyn., 21:7–8 (2016), 939–954. DOI: https://doi.org/10.1134/S1560354716070157
  10. A.V. Borisov, I. S. Mamaev, "Motion of Chaplygin ball on an inclined plane", Doklady Physics, 51:2 (2006), 73–76. DOI: https://doi.org/10.1134/S1028335806020078
  11. E. I. Kharlamova., "Rolling of the ball on an inclined plane", Prikl. Mat. Mekh., 22:4 (1958), 504–509 (In Russ.).
  12. A. V. Borisov, A. A. Kilin, I. S. Mamaev, "On the Hadamard–Hamel Problem and the Dynamics of Wheeled Vehicles", Regul. Chaotic Dyn., 20:6 (2015), 752–766. DOI: https://doi.org/10.1134/S1560354715060106
  13. A. V. Borisov, I. S. Mamaev, "An inhomogeneous Chaplygin sleigh", Regul. Chaotic Dyn., 22:4 (2017), 435–447. DOI: https://doi.org/10.1134/S1560354717040062
  14. Y. Rocard, Línstabilité en mécanique: Automobiles, avions, ponts suspendus, Masson, Paris, 1954.
  15. A. V. Borisov, A. A. Kilin, I. S. Mamaev, "The problem of drift and recurrence for the rolling Chaplygin ball", Regul. Chaotic Dyn., 18:6 (2013), 832–859. DOI: https://doi.org/10.1134/S1560354713060166

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) Mikishanina E.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».