3拉格朗日方程及振动.doc
文本预览下载声明
三、(补)势力场、势能、
动能定理从能量的角度来描述物体的运动现象。现我们将力所作的功的概念进一步推广,可由能量的观点可推出拉格朗日方程。
(一)、势力场与势函数
如果质点在某空间内任何位置都受有一个大小,方向完全确定的作用力。即质点所受到的力仅与质点的位置有关,记为:
那么这个空间称之为力场。将F向坐标轴投影就有:
, ,
设上述的函数是单值、连续、并且具有一阶偏导数。
现我们计算在力场中运动时所作的功,由功的定义知道:
(其中L为质点运动的轨迹)
一般地讲,这个积分与质点运动的路径有关。现仅讨论与路径无关的情况。这对于理解物体运动的本质是很有意义的。
如果上述的线积分仅与质点的起始位置与终了位置有关,而与路径无关。由高等数学知该微分三项式为某一函数的全微分,即。显然U是坐标x,y,z的函数,则定义: ———力场的势函数。
如果质点从M0运动到M,则代入上述的线积分则有:
并且 ; ;
(二)、势能、势能函数
前面我们纯粹从数学的角度引进了势函数,通过势函数,我们可方便地计算有势力的功。势函数的概念比较抽象,但在矢量场的分析中具有普遍的意义。在我们力学分析中,还经常用到物理意义较为明显的势能函数,由势能函数来代替势函数。现我们来看两者的关系。首先来定义势能的概念。所谓势能即:
势能——当物体在势力场中某一位置时,具有作功的能量。
显然,势能具有相对的意义。选取不同的基准位置,则同一位置的势能具有不同的数值。
现以质点为例,由定义知:质点点的势能等于质点从点0时,力场中的力所作的功。根据前面的讨论,这个功为二点势函数的差。现我们用来表示,即:
即
显然V是x,y,z的函数。则我们称 V——势能函数。
现我们将基准面M0选定为零势面,即故又有:
这就是说,势能函数与势函数仅差一个负号。由此我们又有
;;
几种常见的具体问题的势能函数书上P 都有。
势能函数可以判断系统在某位置是否稳定。
当 且
则系统在位置是渐近是稳定的。
(三)、机械能守恒定律:
设系统有两个位置(和两个瞬时)则:
常量
如果设一个状态为任意位置的,一个是初始的,则上式对时间求导数,可以得运动微分方程。即由常量,
机械能守恒定律在碰撞中常用,即碰撞前和碰撞后,机械能守恒(包括动量守恒,动量矩守恒等等)
拉格朗日方程
在推出动力学普遍方程时我们用的是直角坐标来表示质点系的运动。一般地说用直角坐标来表示质点系的运动并不总是方便的,特别是研究多自由度的非自由质点系动力学问题中,如果采用广义坐标来研究则方便得多。
设有一具有理想的完整约束(即几何条件的约束)的非自由质点系,并设此质点系具有个自由度数,故可用个广义坐标表示质点系的位置。作一直角坐标系,设质点系中任一质点的位置,可用矢量表示。显然,如果约束是非定常的,则位矢是广义坐标及时间的函数。即
(1)
此处,是质点系质点的数目。实际上这里也给出了质点系的约束方程有个。
(2)
已知动力学普遍方程为:
展开后得:
(3)
上式中左边第一项表示主动力系在质点系中的虚位移中的元功之和,写成广义坐标的形式,即
(4)
式中,是对应于广义坐标的广义力。
(左边是主动力和直角坐标表示,而右边是广义力和广义位移表示。用不同的坐标,但表示的都是主动力所作的功,是一回事)
(3)式左边第二项表示惯性力系在质点系中的虚位移中的元功之和,将(2)式代入得:
(5)
(注意上式中和式次序的交换)为了将上式中位矢对时间的导数也用广义坐标形式表示,将上式括号中的式子改写为:
(6)
现在来证明上式中有关及的两个关系式:
1)、将(1)式位置矢量对时间求导数,可求得任一质点的速度
(7)
此式中,表示广义坐标对时间的变化率,称为广义速度。并且知道和仅仅是广义坐标及时间的函数。由此可求得一个关系式
(8)
2)、将(7)式对任一广义坐标求偏导数,得:
(这里注意广义坐标相互是独立的,故只是时间的函数与其他广义坐标无关)
另一方面,直接对(1)式位置矢量求广义坐标的偏导数后,再对时间求偏导数得:
由此得到另外一个关系式(比较上面两式)
将这两个关系式代入(6)式之中,可得到:
(矢量自身点乘即平方)将此结果代入(5)式中,并引入质点系动能
由此可求得:
(10)
将(4)式和(10)式代入普遍方程(3)式中,最后求得
显然,上式对于任意的广义坐标变分恒等于零,因此,在各项中的系数,即所有括号项中均分别为零上式才恒成立,即
显示全部