Обобщенная сила. Обобщенные силы и способы их вычисления. Задачи для самостоятельного решения

Пусть имеем систему материальных точек , подчиненную s удерживающим связям, уравнения которых имеют вид, приведенный выше.

Если бы система была свободной, то все декартовых координат ее точек были бы независимыми. Для указания положения системы потребовалось бы задать все декартовых координат ее точек . В несвободной механической системе декартовых координат ее точек должны удовлетворять s уравнениям связей, поэтому независимыми среди них будут только координат.

Число независимых между собой скалярных величин, однозначно определяющих положение механической системы в пространстве, называется числом степеней свободы системы.

Следовательно, механическая система, состоящая из N свободных материальных точек, имеет степеней свободы. Несвободная система из N материальных точек с s удерживающими связями степеней свободы.

Определяя положение несвободной системы, мы можем независимо задавать только координат; остальные s координат определяются из уравнений связей. Однако положение несвободной системы можно задавать более удобным способом - вместо независимых декартовых координат задавать такое же число других геометрических величин, через которые декартовы координаты (как зависимые, так и независимые) могут быть однозначно выражены. В качестве таких величин, называемых обобщенными координатами системы, могут выбираться углы, линейные расстояния, площади и т.п. Удобство состоит в том, что обобщенные координаты можно выбирать с учетом наложенных связей, т.е. сообразуясь с характером движения, допускаемого для системы всей совокупностью наложенных связей. При этом связи учитываются автоматически, а необходимость решать уравнения связей относительно зависимых координат отпадает.

Пример 1. Положение физического маятника, состоящего из шарнирно закрепленного в точке О тяжелого стержня О А, вполне определяется заданием угла (рис. 78). Если угол задан, то для любой точки стержня с заданным расстоянием могут быть вычислены ее декартовы координаты:

Пример 2. Для механической системы, состоящей из математического маятника на подвижной платформе (рис. 79), положение в пространстве вполне определяется величинами s и ( заданы).

Положение платформы определяется расстоянием s, координаты точечной массы М также легко вычисляются:

Величины (пример 1), и s (пример 2) являются обобщенными координатами указанных систем. Это понятие можно распространить на случай произвольной механической системы.

Таким образом, обобщенными координатами механической системы называются любые независимые между собой геометрические величины, однозначно определяющие положение системы в пространстве. Число обобщенных координат равно числу степеней свободы системы .

Независимо от геометрического смысла и, соответственно, размерности, обобщенные координаты обозначают единообразным способом, буквой q с номером: . Из того факта, что обобщенные координаты однозначно определяют положение механической системы в выбранной системе координат Oxyz, следует, что существуют функции

выражающие декартовы координаты всех точек системы через обобщенные координаты и, быть может, время t. Конкретный вид этих функций устанавливается свой для каждой системы (см. примеры 1 и 2).

Если ввести радиусы-векторы точек () указанные функции можно представить в векторной форме

Введем теперь понятие обобщенной силы. Зафиксируем систему в произвольный момент времени t и сообщим ей из этого положения возможное перемещение.

Пусть в результате обобщенные координаты получают приращения (вариации) . Соответствующие элементарные перемещения точек системы найдем, вычисляя дифференциалы функций при фиксированном () времени:

Вычисляя возможную работу приложенных сил, найдем:

Видно, что возможная работа выражается однородной функцией первой степени (линейной формой) относительно вариаций обобщенных координат с коэффициентами

т. e. имеет вид

Коэффициенты называются обобщенными силами.

Таким образом, каждой обобщенной координате соответствует своя обобщенная сила . При этом обобщенной силой , соответствующей обобщенной координате , называется коэффициент при вариации этой обобщенной координаты в выражении для возможной работы сил, приложенных к точкам системы.

Обобщенные силы можно вводить для отдельных групп сил, например для активных сил, для реакций связей, для потенциальных сил и т.д. Тогда полная обобщенная сила будет выражаться суммой обобщенных сил, соответствующих этим выделенным группам. Так, если действующие силы поделены на активные силы и реакции связей, то полные обобщенные силы будут равны

где - обобщенные активные силы, - обобщенные реакции связей.

Обобщенные реакции идеальных связей всегда равны нулю. По этой причине реакции идеальных связей можно при вычислении обобщенных сил игнорировать.

Пример 3. Вычислить обобщенную силу физического маятника, состоящего из стержня ОА длиной и массой (рис. 80).

Решение. Физический маятник является системой с одной степенью свободы . Следовательно, положение маятника определяется одной обобщенной координатой, в качестве которой выберем угол наклона к вертикали .

Изображаем маятник в произвольном положении, прикладываем действующие силы. Реакции в опоре А можно не показывать, так как шарнир является идеальной связью и его вклад в обобщенную силу равен нулю. Сообщаем системе возможное перемещение - элементарный поворот маятника на угол в сторону возрастания угла . Работу совершает только вес маятника . Его точка приложения (центр тяжести С стержня) опишет дугу длиной , при этом поднимется вдоль вертикали на величину , совершив элементарную работу

Запишем сумму элементарных работ сил, действующих на точки системы, на возможном перемещении системы:

Пусть голономная система имеет степеней свободы и, следовательно, ее положение в пространстве определяетсяобобщенными координатами
.

Подставляя (225) в (226) и изменяя порядок суммирования по индексам и, получим

. (226")

где скалярная величина

называется обобщенной силой, отнесенной к обобщенной координате . Используя известное выражение для скалярного произведения двух векторов, сообщенную силу можно также представить в виде

–проекции силы на оси координат;
– координаты точки приложения силы.

Размерность обобщенной силы в соответствии с (226") следующим образом зависит от размерности , совпадающей с размерностью:

, (228)

т. е. размерность обобщенной силы равна размерности работы силы (энергии) или момента силы, деленной на размерность обобщенной координаты, к которой отнесена обобщенная сила. Из этого следует, что обобщенная сила может иметь размерность силы или момента силы.

Вычисление обобщенной силы

1. Обобщенную силу можно вычислить по формуле (227), ее определяющей, т.е.

2. Обобщенные силы можно вычислять как коэффициенты при соответствующих вариациях обобщенных координат в выражении для элементарной работы (226"), т. е.

3. Наиболее целесообразен способ вычисления обобщенных сил, который получается из (226""), если системе сообщить такое возможное перемещение, при котором изменяется только одна обобщенная координата, а другие при этом не изменяются. Так, если
, а остальные
, то из (179") имеем

.

Индекс указывает, что сумма элементарных работ вычисляется на возможном перемещении, при котором изменяется (варьируется) только координата. Если варьируемой координатой является, то

. (227")

Условия равновесия системы сил в терминах обобщенных сил

Условия равновесия системы выводятся из принципа возможных перемещений. Они применимы к системам, для которых этот принцип справедлив: для равновесия механической системы, подчиненной голономным, стационарным, идеальным и неосвобождающим связям, в момент, когда скорости всех точек системы равны нулю, необходимо и достаточно, чтобы все обобщенные силы были равны нулю

. (228")

3.6.7. Общее уравнение динамики

Общее уравнение динамики для системы с любыми связями (объединенный принцип Даламбера-Лагранжа или общее уравнение механики) :

, (229)

где – активная сила, приложенная к-ой точке системы;– сила реакции связей;
– сила инерции точки;– возможное перемещение.

Оно в случае равновесия системы при обращении в нуль всех сил инерции точек системы переходит в принцип возможных перемещений. Обычно его применяют для систем с идеальными связями, для которых выполняется условие

В этом случае (229) принимает одну из форм:

,

,

. (230)

Таким образом, согласно общему уравнению динамики, в любой момент движения системы с идеальными связями сумма элементарных работ всех активных сил и сил инерции точек системы равна нулю на любом возможном перемещении системы, допускаемом связями .

Общему уравнению динамики можно придать другие, эквивалентные формы. Раскрывая скалярное произведение векторов, его можно выразить в виде

где
– координаты-ой точки системы. Учитывая, что проекции сил инерции на оси координат через проекции ускорений на эти оси выражаются соотношениями

,

общему уравнению динамики можно придать форму

В этом виде его называют общим уравнением динамики в аналитической форме .

При использовании общего уравнения динамики необходимо уметь вычислять элементарную работу сил инерции системы на возможных перемещениях. Для этого применяются соответствующие формулы для элементарной работы, полученные для обычных сил. Рассмотрим их применение для сил инерции твердого тела в частных случаях его движения.

При поступательном движении. В этом случае тело имеет три степени свободы и вследствие наложенных связей может совершать только поступательное движение. Возможные перемещения тела, которые допускают связи, тоже являются поступательными.

Силы инерции при поступательном движении приводятся к равнодействующей
. Для суммы элементарных работ сил инерции на поступательном возможном перемещении тела получим

где
– возможное перемещение центра масс и любой точки тела, так как поступательное возможное перемещение у всех точек тела одинаково: одинаковы и ускорения, т. е.
.

При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси. Тело в этом случае имеет одну степень свободы. Оно может вращаться вокруг неподвижной оси
. Возможное перемещение, которое допускается наложенными связями, является тоже поворотом тела на элементарный угол
вокруг неподвижной оси.

Силы инерции, приведенные к точке на оси вращения, сводятся к главному векторуи главному моменту
. Главный вектор сил инерции приложен к неподвижной точке, и его элементарная работа на возможном перемещении равна нулю. У главного момента сил инерции не равную нулю элементарную работу совершит только его проекция на ось вращения
. Таким образом, для суммы работ сил инерции на рассматриваемом возможном перемещении имеем

,

если угол
сообщить в направлении дуговой стрелки углового ускорения.

При плоском движении. Связи, наложенные на твердое тело, допускают в этом случае только плоское возможное перемещение. В общем случае оно состоит из поступательного возможного перемещения вместе с полюсом, за который выберем центр масс, и поворота на элементарный угол
вокруг оси
, проходящей через центр масс и перпендикулярной плоскости, параллельно которой может совершать тело плоское движение.

Так как силы инерции при плоском движении твердого тела можно привести к главному вектору и главному моменту
(если за центр приведения выбрать центр масс), то сумма элементарных работ сил инерции на плоском возможном перемещении сведется к элементарной работе отавною вектора сил инерции
на возможном перемещении центра масс и элементарной работе главного момента сил инерции на элементарном поворотном перемещении вокруг оси
, проходящей через центр масс. При этом не равную нулю элементарную работу может совершить только проекция главного момента сил инерции на ось
, т.е.
. Таким образом, в рассматриваемом случае имеем

если поворот на элементарный угол
направить по дуговой стрелке для.

Аналитическая механика. Классификация связей. Примеры. Возможные перемещения.

Связь – это соотношение связывающихся между собой координаты и скорости точек системы представляющихся в виде равенств или неравенств.

Классификация :

Геометрические – накладывает ограничения только на координаты точек системы (скорости не входят)

Кинематические – скорости входят в уравнения. Если от скоростей можно избавиться, то связь интегрируемая.

Голономные связи – геометрические и интегрируемые дифференциальные связи.

Связь называется удерживающие (налагаемые или ограничения сохраняются при любом положении системы) и неудерживающие , которые этим свойством не обладают (от таких связей, как говорят, система может “освобождаться”

Возможное перемещение

Любое мысленное

Бесконечно малое

Перемещение точек системы, допускаемых

В данный момент времени

Наложенными на систему связями.

Действительное перемещение – зависит от сил, времени, связей, начальных условий.

Возможное перемещение – зависит только от связей.

Для стационарных связей действительное перемещение это одно из возможных.

Идеальные связи. Принцип возможных перемещений.

Идеальными называются связи, для которых сумма элементарных работ всех их реакций на любом возможном перемещении равна 0.

Принцип возможных перемещений.

Для равновесия механической системы с идеальными стационарными связями, необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех активных сил на любом возможном перемещении равнялась 0. При этом для достаточности начальная скорость должна равняться нулю. Необходимое равновесие =>Достаточное =>равновесие.

Обобщенные координаты. Число степеней свободы системы. Обобщенные силы, способы их вычисления. Условия равновесия системы с голономными связями, выраженные в терминах обобщенных сил.

Обобщенные координаты – независимый параметр, который полностью определяет положение системы и через который могут быть выражены все декартовые координаты точек системы.

Число степеней свободы определяется количеством обобщенных координат

Число независимых между собой скалярных величин, однозначно определяющих положение механической системы в пространстве, называется числом степеней свободы.

Обобщенными координатами механической системы называются любые независимые между собой геометрические величины, однозначно определяющие положение системы в пространстве.

Q i = δA j /δq j или δA j = Q i ⋅ δq j .

Обобщенная сила – это такая сила, которая совершает на возможном перемещении по своей обобщенной координате такую же работу, как и все силы, приложенные к системе, на соответствующем перемещении точек их приложения.

Для нахождения обобщенной силы даем возможное перемещение по своей обобщенной координате, оставляя остальные координаты неизменными. Затем находим работу всех сил, приложенных к системе и делим на возможное перемещение.

Принцип возможных перемещений в терминах обобщенных сил.

Поскольку при равновесии сумма элементарных работы на любом возможном перемещении (бА= б q j , которые не зависит друг от друга, то для этого должно выполняться: Q 1 =0; Q 2 =0; Q K =0

1. Согласно определению (2.26) , обобщенная сила

Принимая во внимание, что , получаем

(2.28)

Этот способ определения обобщенных сил называют аналитическим.

Пример 2.11. Найти обобщенную силу Q q = j , если в кривошипно-ползунном механизме (рис.2.10) OA=AB= l, ¾ вертикальная, а ¾ горизонтальная силы.

Решение. Так как F 1 x =0 и F 2 y =0 ,то обобщенная сила согласно (2.28)

Проекции сил и координаты точек их приложения определяются как

F 1y =- F 1 ; F 2x =- F 2 ;

Рис.2.10 y A = l sin j ; x B = 2 l cos j.

Следовательно, Q q = j = - F 1 l cos j + 2F 2 l sin j.

2. Укажем на более простой способ вычисления обобщенной

силы, полезный при решении задач.

Обобщенные силы для механических систем с числом степеней свободы s=k > 1 целесообразно вычислять последовательно, учитывая, что обобщенные координаты, а значит и их вариации независимы между собой. Системе всегда можно сообщить такое виртуальное перемещение, при котором изменяется только одна обобщенная координата, а другие при этом не варьируются. В этом случае из (2.27)

. получаем

(2.29)

откуда (2.30)

Индекс q i в (2.30) означает, что виртуальная работа сил, действующих на систему, определяется на перемещениях точек приложения этих сил, соответствующих вариации только одной i– йобобщенной координаты.

Пример 2.12 Найти обобщенные силы и для системы, показанной на рис. 2.11. Масса груза (1) равна m 1 , массацилиндра (2)равна m 2 , а его радиус ¾ r. Нить по блоку (3) и цилиндру (2) не скользит. Центр масс цилиндра (2) движется вдоль вертикали.

Решение. Для определения обобщенной силы зададим приращение ds ¹ 0 координате груза (1), а для угла j поворота цилиндра (2) ,будем считать

dj =0. При этом центр масс цилиндра (2)

будет иметь перемещение, равное перемещению груза. Следовательно,

Рис.2.11

где P 1 =m 1 g; P 2 =m 2 g .

Определяя , будем полагать, что ds=0, а dj ¹ 0. Тогда

3. Если силы, действующие на механическую систему, потенциальные, то для определения обобщенных сил можно использовать силовую функцию U или потенциальную энергию П системы.

Потенциальная сила

(2.31)

Подставляя проекции силы в (2.30) , получаем

Рассмотрим механическую систему, состоящую из материальных точек, на которые действуют силы Пусть система имеет s степеней свободы и ее положение определятся обобщенными координатами (104). Сообщим системе такое независимое возможное перемещение, при котором координата получает приращение а остальные координаты не изменяются. Тогда каждый из радиусов-векторов точек системы получит элементарное приращение . Поскольку, согласно равенству (106), , а при рассматриваемом перемещении изменяется только координата (остальные сохраняют постоянные значения), то вычисляется как частный дифференциал и, следовательно,

Используя это равенство и формулу (42) из § 87, вычислим сумму элементарных работ всех действующих сил на рассматриваемом перемещении, которую обозначим Получим

Вынося общий множитель за скобки, найдем окончательно

где обозначено

По аналогии с равенством определяющим элементарную работу силы F, величину называют обобщенной силой, соответствующей координате

Сообщая системе другое независимое возможное перемещение, при котором изменяется только координата , получим для элементарной работы всех действующих сил на этом перемещении выражение

Величина представляет собой обобщенную силу, соответствующую координате , и т. д.

Очевидно, что если системе сообщить такое возможное перемещение, при котором одновременно изменяются все ее обобщенные координаты, то сумма элементарных работ приложенных сил на этом перемещении определится равенством

Формула (112) дает выражение полной элементарной работы всех действующих на систему сил в обобщенных координатах. Из этого равенства видно, что обобщенные силы это величины, равные коэффициентам при приращениях обобщенных координат в выражении полной элементарной работы действующих на систему сил.

Если все наложенные на систему связи являются идеальными, то работу при возможных перемещениях совершают только активные силы и величины будут представлять собой обобщенные активные силы системы.

Размерность обобщенной силы зависит от размерности соответствующей обобщенной координаты. Так как произведение а следовательно, и имеет размерность работы, то

т. е. размерность обобщенной силы равна размерности работы, деленной на размерность соответствующей обобщенной координаты. Отсюда видно, что если q - линейная величина, то Q имеет размерность обычной силы (в СИ измеряется в ньютонах), если q - угол (величина безмерная), то Q будет измеряться в и имеет размерность момента; если q - объем (например, положение поршня в цилиндре можно определять объемом запоршневого пространства), то Q будет измеряться в и имеет размерность давления, и т. д.

Как видим, по аналогии с обобщенной скоростью, понятием об обобщенной силе охватываются все величины, встречавшиеся ранее как меры механического взаимодействия материальных тел (сила, момент силы, давление).

Вычисление обобщенных сил будем производить по формулам вида (108), (110), что сводится к вычислению возможной элементарной работы (см. § 140). Сначала следует установить, каково число степеней свободы системы, выбрать обобщенные координаты и изобразить на чертеже все приложенные к системе активные силы и силы трения (если они совершают работу). Затем для определения надо сообщить системе такое возможное перемещение, при котором изменяется только координата получая положительное приращение вычислить на этом перемещении сумму элементарных работ всех действующих сил по формулам (101) и представить полученное выражение в виде (108). Тогда коэффициент при и дает искомую величину . Аналогично вычисляются

Пример 1. Подсчитаем обобщенную силу для системы, изображенной на рис. 366, где груз А весом перечещрется по гладкой наклонной плсскссти, а груз В весом - по шероховатой горизолтальной плоскости, коэффициент трения о которую равен

Грузы связаны нитью, перекинутой через блок О. Массой нити и блока пренебрегаем. Система имеет одну степень свободы положение определяется координатой (положительное направление отсчета показано стрелкой). Для определения сообщаем системе возможное перемещение при котором и вычисляем на этом перемещении элементарные работы сил остальные силы работы не совершают. Так как то

Следовательно,

Пример 2. Пренебрегая трением, найдем обобщенные силы для системы, изображенной на рис. 367. Однородный стержень А В имеет длину l и вес Р и может вращаться вокруг оси А в вертикальной плоскости. Нанизанный на него шарик М имеет вес . Длина пружины AM равна в ненапряженном состоянии а жесткость - с.

Система имеет две степени свободы (независимыми являются перемещение шарика вдоль стержня и поворот стержня вокруг оси А). В качестве обобщенных координат выберем угол и расстояние шарика от конца ненапряженной пружины положительные направления отсчета координат показаны стрелками.

Сообщаем сначала системе возможное перемещение, при котором угол получает приращение . На этом перемещении работу совершают» силы . По второй из формул (101) находим (знак минус здесь потому, что направление момента противоположно направлению )

Следовательно,

Теперь сообщаем системе возможное перемещение, при котором изменяется только координата получая приращение , а угол . На этом перемещении работу совершают сила тяжести и сила упругости, модуль которой Тогда