当前课程知识点:理论力学 > 第五章 分析静力学 > 5-4 广义坐标和广义力 > 广义坐标和广义力
好,大家好,今天我们介绍第四节
广义坐标与广义力
我们前面介绍
静力学普遍方程,它的特点是什么呢
写出来是:Σ里面Fi点乘δri等于0
那么在质系中
通常受各种约束
各点虚位移是不独立的
因此
我们从这个式子中推不出来Fi等于0
这是推不出来的,因为(虚位移)它不独立
也就是说各个主动力它是不等于0的
当然一般情况下的确是这样的
但是作为对比
我们知道,单个质点平衡的时候
可以推出来F是等于0的
所以我们就想通过这样一个形式
就是说我们能不能把这个静力学普遍方程
稍微处理一下之后
得出的结果类似于单个质点平衡的时候
就是直接推出来F=0这样一个形式
所以,这就是我们今天想要讨论的问题
那么,我们可以知道
因为我们这个问题中δr是不独立的
因为每个点受到各种约束
是不独立的
所以
我们今天就要解决这样几个问题
第一、我们怎么样选取独立的坐标
这是第一个问题
当然
由这里面就会引出来关于广义坐标的概念
其次,我们想研究一下
如果坐标独立,它的虚位移是不是独立
那么从这里面就引出自由度的概念
以及我们还想研究一下
如果虚位移是独立的
那么会有什么结果呢
那么从这里面就会引出来广义力的概念
所以下面
我们从这几个角度来分析一下
首先我们介绍什么是广义坐标
是能够唯一确定质系可能位置的
独立参数称为广义坐标
那么,广义坐标数目
它是这样定义的
用k表示坐标数目
k等于3倍的N减掉r
这个是表示空间质点系
如果对于平面问题来说呢
k等于2倍的N减掉r
这里面N表示质点的数目
r是表示约束方程的个数
因为空间质点
它可以x、y、z三个方向
平面x、y两个方向
所以是空间的话是3倍的N减掉r
平面的话2倍的N减掉r
r是约束方程的个数
那么对于空间的刚体系
那就变成k等于6倍的N减r
因为一个刚体需要六个参数描述它
好,如果是平面刚体
就变成3N减r
所以这几个数目我们很容易算出来
那么,我们想,就是说,根据需要
可以任意选取K个确定质系可能位置的独立参数
在这种情况下我们一般用q表示
q1、q2一直到qk,把它们作为广义坐标
那么,在一般情况下
这个q,你可以选择什么呢
可以选择距离、可以选择转角
可以选择面积等等
它只要是能够独立的
描述系统的位置就可以了
那么下面我们看几个例子
比如说对于这样一个曲柄滑块机构
我们要怎么来分析呢
它有不同的分析方法,我们比较一下
第一种方法这样看:就是把A和B
这两个看成是两个可运动的质点
那么就是说,N是等于2
它的数目是2
好,当把A和B看作质点的时候
这个OA的长度
同时B本身是要受限制的
所以一共有几个约束方程呢
有三个约束方程
就是OA长度一个、AB长度一个
以及B点上下要受限制
这三个约束方程
因此我们代入公式
可以算出来,广义的坐标数目是多少呢
是k等于2倍的N减r
这个2是怎么一回事呢
因为它是一个质点、平面的质点
就是x、y两个方向上运动
好,解完之后k等于1
也就是说
我们可以取广义坐标q
就取它的转角φ作为广义坐标
也就是说,只要这个φ角一定
也就是OA和水平面的夹角一定
这整个系统的位置就定下来了
所以用φ就可以表示它的位置
所以φ就是这个系统的广义坐标
那么,很多同学会说可不可以这样考虑呢
把A点、B点和O点看成三个质点
这也可以
好,如果是这样考虑
那,你要注意N就等于3了
但是这样考虑之后
它的约束也增加了,因为
O点本身不能动
O点水平不能动、竖直不能动
所以增加两个约束
所以r等于5
好,这样代进来之后
我们发现,k等于2倍的N减r
还是等于1
所以这表明什么呢
这表明在计算广义坐标数的时候
我们只需要考虑运动的质点
对于那些不会运动的质点
可以暂时不考虑
因为你要考虑的话结果是一样的
所以我们考虑更简单的,只考虑运动的质点就可以了
这是一种方法
那么有同学可能会说
我能不能把OA杆、AB杆看成刚体呢
也可以
好,我们来看一下
如果把OA杆、AB杆看成刚体
这时候就把原来的A点、B点和O点
看成是个约束了
这时候我们看看该怎么算呢
首先,我们有三个刚体OA、AB和B块
好,N等于3,然后是平面问题
那么,下面看看约束方程有几个呢
我们注意到每个平面铰链有2个约束方程
所以O点、A点和B点
有6个约束方程了
同时,对B滑块本身
它还不能转动、还不能上下动
所以它还加2个约束方程
因此r等于6加2等于8
好,这样一来
我们代入进去一算
k等于3倍的N减r,等于9减8,等于1
所以还是等于1
这表明
就是不管你是把它看成是刚体
看成质点
只要你的方法是正确的
你算出来的自由度的数目都是一样的
所以,你们在分析的时候
可以用你自己喜欢的方式去把它分析出来
好,下面我们看另外一个问题
就是如果我们选择广义坐标是独立的
它的变分是否也是独立的
我们来分析一下
由此我们引入一个概念,叫“自由度”的概念
自由度是这样定义的
就是说独立的虚位移数就是质系的自由度
那么它的数目
我们用n表示
它是等于3倍的N减掉r减掉s
其中这个N表示质点总数
r表示完整约束的总数
s是非完整约束的总数
好,我们比较一下
就是在前面我们介绍的广义坐标数目
是什么呢?k等于3倍的N减r
而现在呢
我们的自由度数目是3倍的N减r还减s
所以,如果是完整约束
我们就可以得出来k等于n
如果是非完整约束,就是k大于n
所以,广义坐标数目和自由度数目
是不是相等,还看是不是完整约束
那么,下面我们来看个例子
我们先看完整约束例子
比如说这个曲柄滑块机构
它的广义坐标数目是1
我们可以取φ作为描述的一个参数
那么我们再比如说,看刚性杆连接的A点
可以看作是一个单摆
它的广义坐标数目是1
自由度数目也是1
我们可以取θ作为它的广义坐标
好,那么如果我们看这样一个例子
就是把那个杆换成弹簧
这时候就变成广义坐标数目是2
自由度的数目是2
因此我们可以取什么呢
第一,可以取它的角度,θ角
第二,取长度作为它的广义坐标
就是θ和l是它的广义坐标
那么,我们下面再看一下,对于非完整约束
比如说一个球,我们可以想象一个篮球
在地板上滚动起来,作纯滚动
对于这样一个问题
为了描述这个篮球的位置和姿态
我们需要几个独立的参数
它有几个自由度呢?我们来讨论一下
首先
为了描述这个圆球在水平面上的纯滚动
需要5个独立的参数
比如说
如果我们这样建立坐标系XYZ
我们需要的是描述它C点质系的XC、YC
然后它姿态的转角需要Ψ、θ、φ三个角度
那么,需要说明的是
因为这个球它在平面上
它的半径是不变的
就是说AC的高度是不变的
所以
因为AC的高度不变
所以在z方向上
总是满足(z=R)的,所以我们不用考虑它
所以只有5个独立参数
xC、yC以及三个角度Ψ、θ、φ
然后我们考虑一下
当它作纯滚动的时候
它的A点,接触点的速度是为0的
那么根据基点法
以C为基点,可以得到这样一个式子
就是说,C点速度加上ω叉乘CA矢量,等于0
那么这个式子
就是对于它的运动的一个约束
我们可以把它写出来
在这个坐标中写出来
写出来就是,xc一点减掉R括号里面
θ一点sinθ
减掉φ一点sinθcosΨ,等于0
类似的y也有一个式子
那么我们注意到
速度分析跟虚位移分析,它们是很类似的
所以
速度有这样的限制
它的虚位移也有这样的限制
这样一来表明什么呢
它的虚位移不独立
就是xc、yc、θ、φ这几个不独立
因此
对于这样一个圆球在平面上滚动的问题
它独立的广义坐标数目是5个
但是自由度的数目只有3个
因为5还要减掉2个约束方称
所以自由度只有3个
所以这个例子
是很有意思的一个例子
就是说很多同学在这个时候总是有点怀疑
怎么会这样
这是我们按照定义得出来的一个结果
好,下面我们看看广义坐标形式的
静力学普遍方程
我们知道
r可以写成和广义坐标q1到qk
以及与时间关系,是这样一个表达式
然后
我们把这个r进行变分
我们前面说过,变分类似于微分计算
只是需要注意的是它对时间是不考虑的
这是等时变分
好,我们得到δr
得到一串式子,∑里面偏r偏q乘以δq
然后,我们利用一下做功
就是系统做的功是多少呢
δw等于∑里面F点乘δr,这样乘进去之后
又利用数学中的求和
交换次序,变成这样一个形式
好,然后我们把中间的
大括号里面的定义成Q
就得到什么呢
Q定义成∑里面F点乘以偏r偏q
好,这就是我们定义的Q
那么这样一定义完之后
得到什么样一个结果呢
就是δw等于∑里面F点乘δr
也等于∑里面Q乘以δq
好,那么这样定义完之后
我们就把Q,下标是j
定义为什么呢
称为广义坐标qj对应的广义力
大家注意,这个Q又称为广义力
它是对应与某一(广义)个坐标的
好,我们需要注意的是
广义力是广义坐标和时间的函数
那么,广义力是主动力的
某种代数表达式
但是它不一定具有力的量纲
那么,广义力和广义坐标在一起
乘在一起的时候,具有功的量纲
那么,我们这样做有什么样的好处呢
首先,我们从我们第一行的公式中看
本来功是等于真实的力
点乘δr,真实的各点的虚位移
这时候,它的下标i的话是从1到N的
1到N的话,数目可以很多
但经过这样引入广义力之后
变成∑里面j
j是从1到k
k是我们所说的自由度的数目
所以k大为减少了
所以使得数目大为减少
这是第一点
其次
原式δw等于0
现在我们把
公式∑里面Qj乘以δqj等于0
那么,因为我们的δqj是独立的
我们马上推出什么呢
Qj等于0,也就是说广义力等于0
所以这个结果跟我们前面说的
单个质点平衡时候的力等于0
我们现在说
一个系统平衡的时候广义力等于0
所以得到现在这样一个很漂亮的结果
所以说,具有完整理想约束的质系
其平衡的充分必要条件是
所有的广义力等于0
这个结果就很漂亮
-绪论
--绪论
-1-1 矢量描述法
--第一章运动的描述
--矢量及其运算
-1-2 直角坐标描述法
--例题1 椭圆规
--例题2 圆轮滚动
-1-3 自然坐标描述法
--例题3 单摆
-1-4 极坐标描述法
--例题4 演员
-扩展内容
--b 观察与思考
--c 时间与方向
--d 仰望星空
--e 兔子追击问题
-第一章 点的运动学--作业
-2-1 刚体的定义与运动形式
-2-2 刚体的矢量-矩阵描述
-2-3 刚体平面运动
-2-4 刚体定点运动
-扩展内容
-第二章 刚体运动学--作业
-3-1 点的复合运动
-3-2 刚体复合运动
-例题
-扩展内容
--钟表的设计
--寻找四叶草
--差动齿轮
--指南车
--逆行风车
-第三章 复合运动--作业
-4-0 静力学公理序言
-4-1 主矢量和主矩
-4-2 力系的等效与简化
-4-3 受力分析与刚体平衡
-4-4 平面力系的平衡方程
-4-5 考虑摩擦的平衡问题
-4-6 刚体系的平衡
--4-6-2 桁架
--4-6-3 机构
-例题
-扩展内容
--气球的平衡
--平衡大师
-第四章 几何静力学--作业
-5-1 约束及其分类
--约束及其分类
-5-2 虚位移
--虚位移
-5-3 虚功原理
--虚功原理
-5-4 广义坐标和广义力
--广义坐标和广义力
-5-5 势力场中的平衡
-例题
-扩展内容
--关于投影
--不倒翁
--5-扩展-c欹器
--冈布茨
-第五章 分析静力学--作业
-6-1 质点运动微分方程
-6-2 质点在非惯性系中的运动
-6-3 相对地球的运动
-扩展内容
--宇航员的问题
-第六章 质点动力学--作业
-7-1 质点系动量定理
-7-2 质点系动量矩定理
-7-3 质点系动能定理
-7-4 质系普遍定理的综合应用
-7-5 碰撞
--7-5 碰撞
-例题
-扩展内容
--7-拓展-a跳高
--7-扩展-b跳水
--第七章 质点系动力学--作业
-8-1 达朗贝尔原理
-8-2 达朗贝尔-拉格朗日原理
-8-3 第二类拉格朗日方程
-8-4 拉格朗日方程首次积分
-例题
--达朗贝尔原理例题
-扩展内容
--广义动量守恒
--广义能量守恒
--非定常约束
--无轮小车
-第八章 分析动力学--作业