魔镜 发表于 2020-12-10 15:04

分析力学中的虚功原理

说到分析力学,就不得不提拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange),拉格朗日是法国著名数学家、物理学家。1736年1月25日生于意大利都灵,1813年4月10日卒于法国巴黎。1760~1761年,拉格朗日用虚功原理、达朗贝尔原理和理想约束结合,得到了动力学的普遍方程,几乎所有分析力学的动力学方程都是从这个方程直接或间接导出的。1788年拉格朗日出版了《分析力学》,标志着分析力学的诞生 。

而虚功原理是1717年由伯努利首先发现的。

任何一个物理系统都可以表示为受到两种力的作用,主动力F和约束力R。物理系统就是研究的对象,它一般由n多个质点组成。简单的说,就是你开的汽车,给你们一辆宝马。
它由n个点构成,它所受到的主动力是地球给它施加的重力、发动机给它的动力,约束力是让汽车束缚于在地面上运动的力(即支持力和摩擦力),谁家的汽车都是在地面上跑对吧。用专业的语言表述就是:
当这个系统处于平衡状态时,就是你家的车停在地面上没动的时候,对于这个系统每个质点都没有动,那么必然有,
这是个常识问题,牛顿第一定律是初中物理对吧。

现在我们让系统的每个质点都发生一虚位移,虚位移就是假的位移,其实它没发生,是我们想象出来的。
微分df表示一个物理量f的微小变化,就像你吃了一口苹果,这口苹果咬的很少很少,和没吃一样。变分δ可以简单的理解为与一种与时间无关,但发生了这一变化的微分,好像时间在变分δ这里静止了。就如同你还是同样咬了那口很小的苹果,但丝毫没费时间。

当这个系统受到一种满足如下条件的约束时,
我们称之为它受到了理想约束。理想约束是一种特殊的约束,系统所受每个约束力与虚位移的点乘积的和为0。那么上式有,
大家都知道一般的功W被定义为,
是力F在位移r上的累积量。所以我们把发生在虚位移上的功称为虚功。

那么我们就得到了虚功原理:一个受理想约束的力学系统,处于平衡状态时,主动的虚功之和为0,即,
从虚功原理出发推导出广义力,由于推导复杂我们就略去了。结果如下,
自由度是描述清楚系统的运动最少的独立坐标个数,广义坐标是就坐标的广义版。

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