偏心椭球体回转平衡及其稳定性的研究
李露仙1,2,3, 朱攀丞1,2, 李晋斌1,3
1.南京航空航天大学理学院,南京 210016
2.南京航空航天大学航空宇航学院,南京 210016
3.南京航空航天大学纳智能材料器件教育部重点实验室,南京 210016

作者简介:李晋斌, 副教授,主要研究方向为凝聚态物理,分析力学. E-mail:jinbin@nuaa.edu.cn

摘要

本文研究了摩擦系数 和偏心距离对偏心椭球体回转平衡的影响,得到了椭球极轴与地面法向夹角 的运动方程,导出了两类稳定解.结果表明摩擦力是椭球能否旋转至直立的必要条件,当 偏心距一定, 摩擦系数 越大其运动至直立所需的时间越短.偏心距阻碍直立现象的出现,摩擦系数 一定,偏心距 越大,其运动至直立所需的时间越长.当偏心距值增大到一定程度,其将无法直立而是至一稳定的角度,并且稳定角度正比于偏心距,偏心距继续增大,将不会出现回转平衡.

关键词: 偏心椭球; 摩擦系数; 偏心距离; 稳定角度
中图分类号:O318.2 文献标志码:A
MOTION OF THE ECCENTRIC ELLIPSOID: GYROSCOPIC BALANCE CONDITION AND STABILITY
LI Luxian1,2,3, ZHU Pancheng1,2, LI Jinbin1,3
1.College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
2.College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
3.Key Laboratory of Intelligent Nano Materials and Devices of Ministry of Education, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China
Abstract

This paper studies the influence of the friction coefficient\(\mu\) and the eccentric distance \(\rho\) on the gyroscopic balance in the rotating process of the eccentric ellipsoid. The time evolution of the angle \(\theta=\theta(t)\) and two kinds of stationary solutions are obtained. Our numerical results show that the frictional force is an essential condition for spinning vertically, and can enhance it. That is, when \(\rho\) is constant, the time required for the ellipsoid to standing upright decreases with the increase of \(\mu\). The eccentric distance will delay the process of the standing upright of the rotator, and with the increase of \(\rho\), for a given frictional coefficient \(\mu\),it takes more time to reach the gyroscopic balance. When \(\rho\) keeps increasing, the ellipsoid will eventually take a position of a stabilized angle \(\theta_{\rm f}\) rather than an upright one, and \(\theta_{\rm f}\) is proportional to \(\rho\). The equivalent section curves are obtained corresponding to these values of eccentricity. When \(\rho\) continues to increase, a point will be reached where there will be no gyroscopic balance anymore.

Key words: eccentric ellipsoid; friction coefficient; eccentric distance; stable angle

在非光滑平面上运动的椭球体, 当转速达到一定值的时候, 极轴可由水平逐渐上升至竖直状态, 这一现象是Jellett研究熟鸡蛋旋转时发现的, 因而被称作Jellett鸡蛋现象[1]. 这种物体只有在高速旋转时才能达到稳定状态的现象被称作回转平衡[2]. 此外, 熟鸡蛋的侧面触地绕赤道轴旋转, 可跃起为尖端触地绕极轴旋转, 这个被称为Columbus蛋的现象[3, 4, 5], 以及反转陀螺[6]均基于相同的力学原理. 此类问题的研究结论还广泛应用于航空、航天等领域, 如航天器应用陀螺效应进行轨道调整、轨道控制, 实现空间机动[7, 8, 9, 10, 11], 以及飞行的子弹等沿着中轴线高速自转以抗干扰[12].

Moffatt等[2]指出, 摩擦导致椭球体侧面在旋转时发生轻微的摆动, 引起动能与势能间转化, 从而使其重心位置迅速升高至回转平衡状态. Bou-Rabee等[13]借助绝热不变量以及 Lasalle不变性原理进一步证明了椭球上升状态的稳定性.Sasaki[14]对不同截面形状的椭球体哪一端立起来的现象做过详细研究, 他发现椭球体任意一端均可立起, 也可稳定在一定的角度旋转.基于此, Shimomura[15]于2005年对质心位置在直立端方面的影响进行了探索, 其结果表明形状和质心位置是决定椭球直立端的重要因素.而后Martins等[16]将旋转椭球体的动力学方程表示为拉格朗日算符的形式, 并以标准椭球体为例, 研究了其竖立时间的问题.椭球体存在偏心情况的研究具有很高的应用价值, 它对解决飞行器动力学建模及飞行姿态控制等相关问题[17, 18, 19]以及机器人轨迹控制的研究[20, 21, 22]均有很强的启示.

本文从欧拉角动量方程出发, 在低频近似下得出偏心椭球旋转的动力学方程, 进而给出小角度情况下达到回转平衡所需时间\(t\)与夹角 \(\theta \)之间的解析式, 并分析了其物理意义, 接着采用偏心椭球体模型, 通过数值模拟给出更接近物体真实运动的图景.

1 含气室椭球体的动力学理论
1.1 理论模型

前人的工作多假设椭球整体质量均匀(不含气室), 而实际情况, 诸如鸡蛋等, 由于存在气室, 故而质心同形心不重合[23].

在此, 本文研究偏心距为 \(\rho \) 的椭球体在不光滑水平面上的旋转运动. 本文采用的模型如图1所示.

对称轴\({Gz} (Oz)\)和轴\({GZ}\)确定了\({\Pi}\)平面, 椭球关于\({GZ}\)轴的进动角速度为\(\varOmega \). \(GXYZ\)为地面坐标系, \({Gxyz}\)为体轴系, \(GX\)在\(\Pi\)平面内水平, \({GY}\)垂直于纸面向里, 与\({Gy}\)重合.质心\(G\)相对于水平面的高度为\(h(\theta )\), 物体的质量为\(M\), 作用在物体上的力有重力\({\pmb F}_{g}=(0, 0, -Mg)\), 作用在\(P\)点的支反力\({\pmb N}\)及\(Y\)向的摩擦力\({\pmb F}\), 其中\(F_{x}\)为\({\pmb F}\)在\(X\)轴方向的分量.

图1 偏心椭球竖直截面图:其中\(O\)为形心, \(G\)为质心, 椭球体与水平面的接触点为\(P\), \(z\)是极轴, \(Z\)是垂直轴, \(\theta \)为垂直轴\(Z\) 与椭球极轴\(z\)的夹角

1.2 椭球体运动方程的导出

在图1所示参考系中, 椭球体的角速度\({\pmb\omega}\)的表达式为[2]

\[{\pmb \omega } = \left( {\left( {n - \varOmega \cos\theta } \right)\sin \theta , \dot {\theta }, \varOmega \sin ^2\theta + n\cos\theta } \right) \ \ (1)\]\(n(t)\)为物体关于极轴\({Oz}\)的转速.

椭球体关于\(O\)点的对\(X, Y, Z\)轴的三个主惯性矩为\(A\), \(A\), \(C\), 故角动量\({\pmb L}\)为\[{\pmb L} \!=\! \left( {\left( {Cn - A\varOmega \cos \theta } \right)\sin \theta , A\dot {\theta }, A\varOmega\sin ^2\theta + Cn\cos \theta } \right) \ \ (2)\]在坐标系\(GXYZ\)中, \(P\)点的位置坐标表示为[2]

\[{\pmb R}_{P} = \left( {X_P , Y_P , Z_P } \right) \ \ (3a)\]

\[X_P=\dfrac{d h }{d \theta} \ \ (3b)\]

\[Y_P=0 \ \ (3c)\]

\[Z_P=-h(\theta) \ \ (3d) \]

\(P\)点的速度为\({\pmb V}_{ P} = \left( { - h\dot {\theta }, V_P , 0}\right)\), 当摩擦力很微弱时, \(\dot {\theta }\)也相应很小[2], 可得\[{\pmb V}_{p}=(0, V_{P}, 0) , \ \ {\pmb F}=(0, F, 0)\]同时, 作用于\(P\)点的支反力\({\pmb N}=(0, 0, N)\), \(N\)的大小取决于\({Mg}\)的值.

则欧拉角动量方程[24]可写为\[\dfrac{\partial {\pmb L}}{\partial t} +{\pmb \varOmega }\times {\pmb L} = {\pmb R}_{P} \times\left( {{\pmb N} + {\pmb F}} \right) \ \ (4)\]其在\(Y\)方向上的分式为\[A\ddot {\theta } + \varOmega \sin \theta \left( {Cn -A\varOmega \sin \theta } \right) = - NX_P \ \ (5)\]因\(\theta \)的变化较缓慢, 则\(| \ddot \theta | \ll \varOmega^2\)[2], 且任意稳定状态\(d h/d\theta =0\), 即\(X_{P}=0\), 故式(5)可化为\(\left( {Cn - A\varOmega \cos \theta } \right)\varOmega \sin \theta = 0\)另假定\(\sin\theta \ne 0\), 得\[Cn = A\varOmega \cos \theta \ \ (6)\] \( \theta \to 0\) 时, 式(4)在\(X\)方向和\(Z\)方向的分式分别为\(A\dot {\varOmega } = FX_P \), \(A\varOmega \dot {\theta } = FZ_P \), 据此可得转动惯量J \[{J} = - {\pmb L} \cdot {\pmb R}_{P} = A\varOmega h \ \ (7)\]将式(3d)和式(7)代入\(A\varOmega \dot {\theta } = FZ_P \), 可得\[\dot {\theta } = - Fh^2\left( \theta \right) / J \ \ (8)\]

1.3 椭球体运动方程\( \theta = \theta (t)\)的求解

由标准椭球体\(A = M\left( {a^2 + b^2} \right) / 5\), \(C = 2Mb^2 /5\), 借助平行移轴定理, 可得偏心椭球的主惯性矩为

\[A = \dfrac{M\left( {a^2 + b^2} \right)}{5} + \pi ab\rho ^2 , \ C = \dfrac{2Mb^2}{5}\]

\[ V_P = \left( {\varOmega \sin ^2\theta + n\cos \theta } \right)d h / d\theta + \\ \qquad \left( {n- \varOmega \cos \theta } \right)h\left( \theta \right)\sin \theta \]

借助式(6)和式(7)以及定义式

\[\varsigma \left( \theta \right) \equiv\left( {\sin ^2\theta + \dfrac{A}{C}\cos ^2\theta } \right)^{ -\tfrac{1}{2}}\]

可化简得

\[V_P = \left( {J / A} \right)\varsigma ^{ - 3}h^{ - 1}d\left( {\varsigma h}\right) / d\theta \ \ (9)\]

假定\(F\)满足黏性摩擦定律, 则\(F = - \mu MgV_P \), 与式(8)和式(9)联立, 可得

\[ \dot {\theta } = \dfrac{5\mu Mgh \sin 2\theta }{4M\left( {a^2 + b^2}\right) + 20\pi ab\rho ^2} \cdot \]

\[\qquad \left\{ {\left[ {2 + \cos ^2\theta \left( {\dfrac{a^2 - b^2}{b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{Mb}}\right)} \right]} \right.\cdot \]

\[\qquad \left( {\dfrac{b^2 - a^2}{h + \rho \cos \theta } + \dfrac{\rho }{\cos \theta }} \right) + \]

\[\qquad \left.{h\left( {\dfrac{a^2 - b^2}{b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{Mb}} \right)} \right\}\ \ (10)\]

考虑到此时[25]

\[h\left( \theta \right) = \left( {a^2\cos ^2\theta + b^2\sin ^2\theta }\right)^{\tfrac{1}{2}} - \rho \cos \theta\]

\[h^2 = \left( {a^2 - b^2} \right)\cos ^2\theta + b^2\sin ^2\theta - 2\rho h\cos \theta \ \ (11)\]

当\(\theta \to 0\)时, \(\cos \theta \approx 1\), \(h(\theta ) \approx a-\rho \), 同式(11)一并代入式(10), 得

\[\dot {\theta } = r\sin 2\theta + s\sin 4\theta \ \ (12)\]

其中

\[ r = \dfrac{5\mu Mg}{4M\left( {a^2 + b^2} \right) + 20\pi ab\rho ^2}\left\{ {\left({\dfrac{b^2 - a^2}{a} + \rho } \right)}\right.\cdot \]

\[ \qquad\left( {a - \rho } \right)\left( {\dfrac{a^2 + 3b^2}{2b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{2Mb}} \right) + \]

\[ \qquad \left. { \left( {\dfrac{a^2 - b^2}{b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{Mb}}\right)\left[ {\dfrac{a^2 - \rho ^2 + b^2}{2} - 2\rho \left( {a - \rho }\right)} \right]} \right\} \]

\[ s = \dfrac{5\mu Mg}{4M\left( {a^2 + b^2} \right) + 20\pi ab\rho ^2}\left[ {\dfrac{a - \rho}{4}\left( {\dfrac{b^2 - a^2}{a} + \rho } \right)\cdot }\right.\]

\[\qquad \left( {\dfrac{a^2 - b^2}{b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{Mb}} \right) + \dfrac{a^2 -\rho ^2 - b^2}{4}\cdot \]

\[\qquad \left.{\left( {\dfrac{a^2 - b^2}{b^2} + \dfrac{5\rho \pi a}{Mb}} \right)} \right] \]

通过解式(12)得

\[ \dfrac{s}{\left( {r + 2s} \right)\left( {r - 2s} \right)}\ln \left| {\left({r - 2s} \right)\tan ^2\theta + }\right. \\ \qquad \left.{ \left( {r + 2s} \right)} \right| + \dfrac{1}{2\left( {r + 2s} \right)}\ln \left| {\tan \theta } \right| = t -t_0 \ \ (13)\]

\(t_{0}\)为一常量. 特别地, 偏心距\(\rho =0\)情况下, 由式(13)可得与Moffatt一致的研究结论[2]

\[\tan \theta = {\rm e}^{ - \mu q\left( {t - t_0 } \right)} , \ \ q = \dfrac{5g\left( {a^2 - b^2} \right)}{2\left( {a^2 + b^2} \right)}\]

2 数值模拟及物理分析

考虑熟鸡蛋的实际问题, 取\(M =50 g\), \(a =6.5\) cm, \(b=4.5\) cm以及\(g =9.8\) m/s\(^{2}\). 在不考虑偏心即 \(\rho=0\)的前 提下, 可以得到 \(\mu \) 分别取0.5, 0.1, 0.05和0时的角度随时间变化的曲线, 如图2所示.

图2 \(\theta (t)\)在 \(\rho =0\), \(\mu \) 分别为0.5, 0.1, 0.05和0时的曲线

从图2知, 椭球体无偏心且物理质量一定时, 摩擦力的存在与否决定了其能否实现竖立. 当\(\mu=0\)时, \(\theta(t)\)无变化, 即无 直立现象, 这与文献[2]的结论一致.表明摩擦力使椭球体的侧面在旋转时发生轻微的摆动, 并在此过程中, 动能转化为势能, 从而使重心位置升高, 进而发生直立现象.随着 \(\mu \) 值的增大, 椭球体由同一初始角度旋转至直立(即 \(\theta=0\))所需的时间逐渐变短, 进一步体现了摩擦力在此过程中所起到的促进作用, 即摩擦系数 \(\mu \)越大, 动能与势能的转化越快.

考虑椭球含气室的真实情况, 取 \(\rho =1\) mm, 同样可得 \(\mu \) 为0.5, 0.1, 0.05时的 \(\theta (t)\)曲线, 如图3所示.

图3 \(\theta (t)\)在 \(\rho =1\) mm, \(\mu \) 分别为0.5, 0.1和0.05时的曲线

由图3可以看出, 在 \(\rho =1\) mm, \(\mu \ne0\)的情况下, 椭球体仍然能够发生直立现象, 且摩擦力的促进作用依然存在. 与 图2相比, \(\theta(t)\)曲线整体趋势一致, 只是在 \(\mu \) 值相同的情况下, \(\rho =1\) mm比 \(\rho =0\)(即无偏心)时旋转至直立所需的时间略长.对比图2, 由于偏心的存在, 使得重力对\(O\)点作用有顺时针方向的力矩, 阻碍其极轴\(z\)往 \(\theta \)变小方向的旋进, 从而延缓了直立现象的发生.

当 \(\rho \) 逐步增大, 如 \(\rho =2.3\) mm时, 通过 \(\mu \) 为0.5, 0.2和0.1的数值模拟结果会发现偏心椭球体旋转过程中发生的另一类现象, 椭球体回转平衡的结果不是直立起来, 而是以特定的角度 \(\theta _{\rm f}\)旋转. 如图4所示.

图4 \(\theta (t)\)在 \(\rho =2.3\) mm且初始角度不同, \(\mu \) 分别为0.5, 0.2和0.1时的曲线

图4中, 无论\(\mu \)值的大小, 椭球体均不能实现直立旋转, 而是由初始角度逐渐偏至一特定的角度\(\theta_{\rm f}\), 文献[14]也曾提到. 初始角度的不同将影响椭球是上升还是下偏至 \(\theta_{\rm f}\). 如在 \(\rho =2.3\) mm时, \(\theta_{\rm f}\)为41.78\(^{\circ}\).

图4表明偏心距 \(\rho \) 一定时, \(\theta_{\rm f}\)与 \(\mu \) 的大小无关, 因 \(\rho\)一定时, 椭球体等效的截面曲线随之而定, \(\theta_{\rm f}\)仅与截面形状有关[14]而不受 \(\mu \) 的影响.故为了研究 \(\rho \) 对 \(\theta_{\rm f}\)的影响, 将 \(\mu \) 定为0.5, \(\rho \) 分别取2.2 mm, 2.3 mm, 2.4 mm, 所得的数值模拟结果如图5所示.

图5 \(\theta (t)\)在 \(\mu =0.5\), \(\rho \) 分别为2.2 mm, 2.3 mm和 2.4 mm时的曲线

图5显示在椭球体能够下偏至特定角度的前提下, 偏心距 \(\rho \) 越大, 则最终的 \(\theta _{\rm f}\)也越大, 即下偏得越严重.

椭球质心与形心不重合, 即偏心距不为0, 可以等效为不同外形的几何体. 图5中, 当 \(\rho=2.2\) mm时, 可等效为截面曲线为卡西尼卵形 线的椭球体, 当\(\rho\)=2.3 mm时, 可等效为截面曲线为双扭线的椭球体, \(\rho\)=2.4$ mm的情况则可以等效为截面曲线为Wassenaar蛋形线的椭球体. 数值模拟得到的特定角度与文献[14]

研究的相应截面曲线 所得的 \(\theta_{\rm f}\)一致.

随着\(\rho \)继续增大, 旋转椭球体的偏心越来越严重, 导致椭球迅速倾倒, 重心下降. 在\(\rho =4\) mm, \(\mu \)为0.5, 0.2和0.1时, \(\theta (t)\)曲线如图6所示.

图6 \(\theta (t)\)在 \(\rho =4\) mm, \(\mu \) 分别为0.5, 0.2和0.1时的曲线

当 \(\rho =4\) mm时, 由图6可知, 椭球体不能发生直立现象, 且 \(\theta_{\rm f}\)也不复存在(亦可理解为 \(\theta_{\rm f} =90^{\circ}\)). 此时的偏心情况已相当严重, 质心的过度偏离, 使得物体一端过重, 迅速发生倾倒, 不能实现回转平衡.

3 结论与讨论

本文对偏心椭球的回转平衡进行了分析. 首先推导得到运动方程 \(\theta (t)\), 并采用数值模拟验证了它的有效性. 进一步结果显示存在摩擦是椭球体发生直立现象的必要条件. 在摩擦引起物体摆动的过程中, 动能转化为势能, 致使重心升高, 为椭球体直立提供了可能, 且椭球体由相同初始角度旋转至直立所需的时间随着摩擦增大而相应地缩短. 在小偏心的情况下, 由于偏心的影响, 椭球极轴往竖直方向的旋进受到阻碍, 延长了旋转至直立所需的时间. 随着偏心距的进一步增大, 椭球体将不能实现直立, 而是会上升或下偏至某一特定的角度\(\theta_{\rm f}\), 并稳定旋转. 此外, 不同偏心距的椭球体可相应等效为不同外形的几何体. 并且, 对于一些合适的偏心距, 在数学上存在相应几何体对应的等效截面曲线. 偏心较严重时, 例如 \(\rho =4\) mm时, 椭球体将会因为质心的过度偏离, 迅速发生倾倒, 使得重心下降, 势能降低, 无法实现回转平衡.

此外, 关于椭球体回转平衡过程中两类现象之间转换的临界偏心距和能否实现回转平衡的临界偏心距, 我们将在后续工作中做深入研究.

The authors have declared that no competing interests exist.

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