第3章-分析力学基础-机械动力学课件.ppt

第三章分析力学基础 31 自由度和广义坐标 在完整约束的条件下，确定质点系位置的独立参数的数目等于系统的自由度数。质点M被限定只能在球面（31）的上半部分运动，由此解出：（32）这样该质点在空间中的位置就由x,y这两个独立参数所确定，它的自由度数为2。一般来讲，一个n个质点组成的质点系，若受到s个完整约束作用，则其在空间中的3n个坐标不是彼此独立的。例如:由这些约束方程，可将其中s个坐标表示成其余3n-s个坐标的函数，这样该质点系在空间中的位置，就可以用N=3n-s个独立参数完全确定下来。描述质点系在空间中的位置的独立参数，称为广义坐标。对于完整系统，广义坐标的数目等于系统的自由度数考虑由n个质点组成的系统受s个完整双侧约束，（33）设为系统的一组广义坐标可以将各质点的坐标表示为：（34）由虚位移的定义，对上式进行变分运算，得到（35）其中 为广义坐标的变分，称为广义虚位移。32 以广义坐标表示的质点系平衡条件 设作用在第i个质点上的主动力的合力，在三个坐标轴上的投影分别为，将式（3-5）代入虚功方程，得到（3-6）如令（3-7）求广义力的方法有两种：一种方法是直接从定义式（37）出发进行计算。另一种是利用广义虚位移的任意性，令某一个不等于零，而其他N-1个广义虚位移都等于零，代入从而（310）在解决实际问题时，往往采用第二种方法比较方便例3-1：杆OA和AB以铰链相连，O端悬挂于圆柱铰链上，如图所示，杆长OA=a AB=b，杆重和铰链的摩擦都忽略不计，今在点A和B分别作用向下的铅锤力和，又在点B作用一水平力。试求：平衡时与，之间的关系解：系统有两个自由度，现选择和为系统的两个广义坐标，计算其对应的广义力和，用第一种方法计算：（a）由于（b）用第二种方法计算：保持不变，只有时，如图所示，由式（b）的变分（e）则对应于的广义力为，可得一组虚位移将式（e）代入上式，得保持不变，只有时，如图所示，由式（b）的变分，可得另一组虚位移代入对应于的广义力表达式，得解：系统具有两个自由度，选取重物A向右的水平坐标和重物B向下的铅直坐标为广义坐标，则对应的虚位移为和。此时除重力外，重物A与台面间的摩擦力也应视为主动力首先令向右，此时重物C的虚位移，方向向下。主动力所做虚功的和为：对应广义坐标的广义力为：（a）此时虚功方程（36）中各力的投影，都可以写成用势能V表达的形式，即：于是有这样，虚位移原理的表达式成为（312）上式说明：在势力场中，具有理想约束的质点系的平衡条件为质点系的势能在平衡位置处一阶变分为零。如果用广义坐标表示质点系的位置，则质点系的势能可以写成广义坐标的函数，即根据广义力的表达式（37）在势力场中可将广义力写成用势能表达的形式（313）对于一个自由度系统，系统具有一个广义坐标q因此系统势能可以表示为q的一元函数，即当系统平衡时，根据式（314），在平衡位置处有如果系统处于稳定平衡状态，则在平衡位置处。系统势能具有极小值，即系统势能对广义坐标的二阶导数大于零。上式是一个自由度系统平衡的稳定性判据。对于多自由度系统平衡的稳定性判据可参考其他书籍。例3-3：如图所示一倒置的摆，摆锤重量为，摆杆长度为l，在摆杆上的点A连有一刚度为k的水平弹簧，摆在铅直位置时弹簧未变形，设OA=a，摆杆重量不计。试确定：摆杆的平衡位置及稳定平衡时所应满足的条件。解：该系统是一个自由度系统，选择摆角为广义坐标，摆的铅直位置为摆锤重力势能和弹簧弹性势能的零点。则对任一摆角系统的总势能等于摆锤的重力势能和弹簧的弹性势能之和。当时有由 上述势能表达式可以写成将势能V对求一阶导数 有由 得到系统的平衡位置为为判别系统是否处于稳定平衡，将势能对求二阶导数，得对于稳定平衡，要求即或设有一质点系由n个质点组成，质点系中第i个质点质量为mi，作用在该质点上的主动力的合力为Fi，约束反力的合力为FNi.如果假想地加上该质点的惯性力FIi=-miai，由达朗贝尔原理，Fi、Fni、FIi构成平衡力系。整个质点系应组成平衡力系，质点系具有理想约束.应用虚位移原理，得到：3-3 动力学普遍方程例3-4:如图所示滑轮系统中，动滑轮上悬挂着质量为的重物，绳子绕过定滑轮后悬挂着质量为的重物，设滑轮和绳子的重量以及轮轴摩擦都忽略不计。求:质量为的物体下降的加速度解：取整个滑轮系统为研究对象，系统具有理想约束。系统所受的主动力为和，惯性力为给系统以虚位移和，由动力学普遍方程得这是一个单自由度系统，所以和中只有一个是独立的由定滑轮和动滑轮的传动关系，有代入前式，有消去得例3-5：如图所示两相同均质圆轮半径皆为R，质量皆为m，轮I可绕轴O转动，轮II绕有细绳并跨于轮I上，当细绳直线部分为铅垂时，求轮II中心C的加速度。再令，则，代入动力学普遍方程（a）或（b）考虑到运动学关系（c）联立式（a）（b）（c）解出 3-4 第一类拉格朗日方程引入符号（3-16）对式（3-3）两边取变分（3-17）引用拉格朗日乘子将（3-17）式两端乘以并对k求和（3-18）若将（3-19）式与质点系统的达朗贝尔原理相对比，可以看出:对应于s个约束作用于 含拉格朗日乘子项系统内各质点上的约束力。方程中共有3n+s个未知量，故须与方程（3-3）联立求解。例3-6如图所示的运动系统中，可沿光滑水平面移动的重物M1的质量为m1；可在铅直面内摆动的摆锤M2的质量为m2。两个物体用无重杆连接，杆长为l。求此系统的运动微分方程。解：1）取整个系统为研究对象。选取坐标轴如图所示，则M1和M2的坐标各为x1、y1和x2、y2。2）运动分析：系统受到水平面和刚性杆的约束，有2个约束方程。约束方程微分，消去得到系统的运动微分方程而与矢量力学的运动学方程相对照，可知是光滑接触面的约束力，是二力杆的内力。当系统各质点的虚位移不独立时，要找到虚位移之间的关系不方便。动力学普遍方程用独立的广义坐标表示，可推导出第二类拉格朗日方程，这种方法便于求解非自由质点系的动力学问题。设一质点系由n个质点组成，系统具有s个完整理想约束，具有N=3n-s个自由度。用q1、q2、qn表示系统的广义坐标。设系统中第i个质点的质量为m1，矢径为 ri，矢径 ri可表示为广义坐标和时间的函数：3-5 第二类拉格朗日方程由质点系普遍方程：上式第一项又可以表示为：注意：这里不是研究平衡问题，所以Qk不一定为零。代入上式第二项得:对于完整约束的系统，其广义坐标是相互独立的。所以广义坐标的变分是任意的，为使上式成立，必须有：这是具有N个方程的方程组，其中第二项与广义力对应，称为广义惯性力。表明广义力与广义惯性力相平衡，是达朗伯原理的广义坐标表示。对广义力做如下变换1.证明：进一步简化，先证明两个等式对时间求导数其中是广义坐标和时间的函数，而不是广义速度的函数。再对求偏导数：得证在完整约束下对某qj求偏导数将对时间求导数得：2.证明：由此得证其中为质点系的动能该方程组中方程式的数目等于质点系的自由度数，每一个方程都是二阶常微分方程。得上式称为拉格朗日方程于是拉格朗日方程可写成上式就是保守系统的拉格朗日方程。记L=T-V，L称为拉格朗日函数或动势。如果作用在质点系上的主动力都是有势力，则广义力Qk可写成拉格朗日方程用动势L=T-V表示拉格朗日方程是解决具有完整约束的质点系动力学问题的普遍方程，是分析力学中重要的方程。拉格朗日方程的表达式非常简洁，应用时只需计算系统的动能和广义力；对于保守系统，只需计算系统的动能和势能。因为势能是坐标的函数例3-7：如图所示的系统中，轮A沿水平面纯滚动，轮心以水平弹簧联于墙上，质量为的物块C以细绳跨过定滑轮B联于点A，A，B两轮皆为均质圆盘，半径为R，质量为，弹簧刚度为k质量不计，当弹簧较软，在细绳能始终保持张紧的条件下求此系统的运动微分方程解：此系统具有一个自由度，以物块平衡位置为原点取x为广义坐标如图，以平衡位置为重力零势能点，取弹簧原长处为弹性力零势能点，系统在任意位置x处的势能为其中为平衡位置处弹簧的伸长量。由运动学关系式，当物块速度为时，轮B角速度为，轮A质心速度为，角速度亦为，此系统的动能为系统的动势为代入拉格朗日方程得注意到 则系统的运动微分方程为例3-8：仍以例36为例如图所示的运动系统中，可沿光滑水平面移动两个物体用无重杆连接，杆长为l。试建立此系统的运动微分方程重物的质量为，摆锤的质量为，该问题也可以用第二类拉格朗日方程来求解解：选和为广义坐标，则有（a）将式（a）两端对时间求导数，得（b）系统的动能选质点在最低处时的位置为系统的零势能位置，则系统的势能为由此得把以上结果代入拉格朗日方程中，得如果质点摆动很小，可以近似地认为。且可以忽略含和的高阶小量，上式可改写为（c）（d）从以上两式中消去，得到（e）这是自由振动的微分方程，其解为（f）固有角频率为摆动周期（g）如果则质点的位移将很小，质点的摆动周期将趋于普通单摆的周期若将式（e）代入（d）得到（h）将式（f）代入，可见质点沿x方向也作自由振动可以将例36的结果与例38进行对比，将（a）（b）两式代入例36中式（g）的第4式，当摆动很小时，且可以忽略含和的高阶小量得到代入例36中式（g）的第3式并注意 得到（k）由本例中的式（a）代入式（k）得到与式（h）同样的结果 3-6 拉格朗日方程的初积分对于保守系统，在一定条件下，可以直接给出初积分的一般形式。1.能量积分若系统所受到的约束均为定常约束，则式（34）中不显含时间t，从而（327）为关于的二次齐次函数，其中是广义坐标的函数，称为广义质量，容易证明（328）上式也称为关于齐次函数的欧拉定理，注意势能V不含项，从而将式（326b）对k求和（329）积分上式，有2T-L=T+V=常数（330）这就是保守系统的机械能守恒定律。也称为保守系统中拉格朗日方程的能量积分。2.循环积分如果拉格朗日函数L中不显含某广义坐标，则称该坐标为循环坐标.此时从而有常数（331）上式称为拉格朗日方程的循环积分。如果引入广义动量则有 常数（331a）式（331a）也称为广义动量守恒例3-9：图表示一个均质圆柱体，可绕其垂直中心轴自由转动，圆柱表面上刻有一倾角为的螺旋槽，今在槽中放一小球M，自静止开始沿槽下滑，同时使圆柱体绕轴线转动，设小球质量为，圆柱体的质量为，半径为R，不计摩擦。求：当小球下降的高度为h时，小球相对于圆柱体的速度以及圆柱体的角速度。解：小球与圆柱体组成的系统是具有两个自由度的系统，并具有稳定、完整、理想约束，因为系统所受的主动力是重力，所以是保守系统。取圆柱体的转角，和沿螺旋槽方向的弧坐标s为广义坐标。取小球为动点，圆柱体为动系，利用点的速度合成公式，则小球的动能为圆柱体的动能为系统的动能为可见此时动能T是广义速度和的二次齐次函数。若选择小球起点为零势能点。则系统势能V可表示为系统的拉格朗日函数为：由于L中不显含时间t和广义坐标，系统有能量积分和循环积分，于是我们有两个一次积分式将动能和势能表达式代入上式得（a）（b）将初始条件t=0时，代入上式得，由此，从式（a）中解得（c）代入式（b），并令，得由此得小球相对于圆柱体的速度为（d）再由式（c）得圆柱体转动的角速度为