33. Общее уравнение динамики.

 Приложим ко всем материальным точкам системы реально действующие на них активные силы и реакции связей. Добавим к данным силам соответствующие силы инерции. Тогда согласно принципу Даламбера получим:

  , где  .

Умножим скалярно данное уравнение на возможное перемещение  точки k

или

  .

Записывая аналогичные уравнения для всех точек системы, складывая их почленно и учитывая, что сумма элементарных работ реакций связей для систем с идеальными связями равна нулю, получаем общее уравнение динамики

  . (3.60) 

Полученное уравнение позволяет сформулировать следующий принцип Даламбера – Лагранжа:

При движении системы с идеальными связями в каждый момент времени сумма элементарных работ всех активных сил и сил инерции на любом возможном перемещении системы равна нулю.

В аналитической форме общее уравнение динамики имеет вид:

или

34. Обобщенные координаты. Обобщенные силы и их вычисление. Случай потенциальных сил.

Обобщенными координатами мы будем называть параметры, которые определяют положение материальной системы.

Это могут быть обычные декартовы координаты точек, углы поворота, расстояния, площади, объемы и т.д.

Минимальное количество независимых друг от друга обобщенных координат, которых достаточно, чтобы полностью и однозначно определить положение всех точек системы, называют числом степеней свободы этой системы.

Обобщенные координаты в общем случае будем обозначать буквой q.

Пусть материальная система имеет s степеней свободы. Положение ее определяется обобщенными координатами: q₁, q₂, q₃,…, q_k,…, q_{s. .}

Нетрудно убедиться, что декартовы координаты n точек системы можно определить как функции обобщенных координат и времени:

(5)

Так у маятника (рис.71) координаты точки М

есть функции координат l, и , и времени t, если l = l(t).

Соответственно, и радиус-вектор точек системы можно определить как функцию обобщенных координат и времени:

(6)

Обобщенные силы

Каждой обобщенной координате можно вычислить соответствующую ей обобщенную силу Q_k.

Вычисление производится по такому правилу.

Чтобы определить обобщенную силу Q_k, соответствующую обобщенной координате q_k, надо дать этой координате приращение (увеличить координату на эту величину), оставив все другие координаты неизменными, вычислить сумму работ всех сил, приложенных к системе, на соответствующих перемещениях точек и поделить ее на приращение координаты :

(7)

где – перемещение i-той точки системы, полученное за счет изменения k–той обобщенной координаты.

Обобщенная сила определяется с помощью элементарных работ. Поэтому эту силу можно вычислить иначе:

И так как есть приращение радиуса-вектора за счет приращения координаты при остальных неизменных координатах и времени t, отношение можно определять как частную производную . Тогда

(8)

 

где координаты точек – функции обобщенных координат (5).

Если система консервативная, то есть движение происходит под действием сил потенциального поля, проекции которых , где , а координаты точек – функции обобщенных координат, то

(9)

Обобщенная сила консервативной системы есть частная производная от потенциальной энергии по соответствующей обобщенной координате со знаком минус.

Конечно, при вычислении этой обобщенной силы потенциальную энергию следует определять как функцию обобщенных координат

П = П(q₁, q₂, q₃,…,q_s).

Замечания.

Первое. При вычислении обобщенных сил реакции идеальных связей не учитываются.

Второе. Размерность обобщенной силы зависит от размерности обобщенной координаты. Так если размерность [q] – метр, то размерность

= Нм/м = Ньютон, если [q] – радиан, то = Нм; если [q] = м², то и т.п.