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讲师大咖面对面,有问有大收获多。一、约束与广义坐标
分析力学的研究对象:主要是相互作用着的大量质点组成的质点系,我们常见的就是特殊的质点系刚体,我们称为力学体系。单个质点当然也可用分析力学处理,不过,有时反使问题复杂化,因它的优势在于处理复杂体系,一方面用广义坐标(独立坐标)来描述力学体系使方程数减少,一方面消除未知的约束反力(目标是求解力学体系的运动规律,而不是约束反力).
1, 约束
限制力学体系中质点自由运动的条件,通常为坐标,速度,时间的函数,该函数我们称为约束方程,简称约束
按照下面不同的划分标准,分为:
1) 限制质点空间位置的约束是否显含时间
1) 限制质点空间位置的约束是否可解
始终不能脱离约束曲面(曲线)的约束,是不可解约束,用等式表示
3)是否限制质点的速度
不仅限制质点的坐标,而且限制质点的速度,是微分约束;可积分为几何约束的微分约束也为完整约束,所以完成约束包括几何约束(不可解约束)和可积分为几何约束的微分约束;而非完成约束则包括可解约束和不能积分为几何约束的微分约束,受完整约束的力学体系是完成系,反之是非完整系,我们主要研究完整系。
我们注意到,上面分类中有相互包含的情况,如同一个约束,即可是稳定约束,也可是不可解约束,还可是几何约束;可解约束只能是非完整约束。
1, 广义坐标
若一个有3n个质点组成的力学体系受到k个几何约束,则描述其空间位形的独立坐标数只需3n-k个,此时力学体系的自由度和独立坐标数相等,若有微分约束,则自由度数可小于独立坐标数,我们研究的是几何约束
这3n-k=s个独立坐标,称其为是广义坐标,每一质点的三个直角坐标都可用这s个独立坐标来表示,于是整个力体系的空间位形当然就只需s个独立坐标来描述
明确位矢是广义坐标和时间的显函数,若不是时间的显函数是稳定约束的情况。广义坐标,既然称广义,它可以是长度,还可是角度等,只需满足和广义力的乘积具有功的量纲或者说具有功的形式