Принцип виртуальных перемещений и принцип Даламбера

В динамике связи можно учесть с помощью введения сил реакции связей. Силы реакции связей  наряду с действующими, или активными силами записывают в правую часть уравнений второго закона Ньютона:    (2.5)

Силы реакции связей заранее неизвестны и определяются во время интегрирования уравнений движения. Поэтому при наличии связей решение задач механики с помощью уравнений второго закона Ньютона усложняется тем, что необходимо интегрировать боль­ше уравнений, чем число степеней свободы, и тем, что приходится определять силы реакции связей.

Вначале рассмотрим случай, когда материальные точки поко­ятся. Это возможно, если сумма сил, действующих на каждую материальную точку, равна нулю:

         (2.6)

Введем понятие виртуального перемещения. Виртуальное переме­щение — это мысленное бесконечно малое перемещение, которое в данный момент времени материальная точка может совершить, не нарушая связей. Чтобы отличать виртуальные перемещения от реальных перемещений материальных точек, будем обозначать их греческой буквой , то есть виртуальное перемещение матери­альной точки с индексом  обозначим , а реальное бесконечно малое ее перемещение по-прежнему будет обозначаться как .

Домножая равенства (2.6) на и суммируя по всем матери­альным точкам системы, получим                    (2.7)

Первое слагаемое в (2.7) представляет работу активных сил на виртуальных перемещениях. Это — работа, которую совершили бы активные силы, если бы эти перемещения произошли. Ее называют виртуальной работой активных сил. Соответственно второе слагаемое в (2.7) дает виртуальную работу сил реакции связей. Существует большое количество связей, для которых виртуальная работа сил реакции связей равна нулю. Такие связи называются идеальными связями. Идеальными являются связи, осуществляемые нерастяжимыми нитями и в пренебрежении сил трения связи, обеспечиваемые твердыми телами.

Для идеальных связей второе слагаемое в равенстве (2.7) равно нулю. В результате получаем уравнение                                  (2.8)

В отличие от равенства (2.7), которое вследствие выполнения условий равновесия (2.6) представляет собой тождество, выражение (2.8) является уравнением. Так как при наличии связей не все независимы, то из (2.8) следуют условия . Эти условия по-прежнему выполняются в отсутствие связей, когда независимы. Уравнение (2.8) позволяет найти условия равновесия системы материальных точек как в отсутствие связей, так и при их наличии. При этом нет необходимости рассматривать силы реакции связей. Уравнение (2.8) формулируется как принцип виртуальных перемещений: в положении равновесия работа активных сил на виртуальных перемещениях равна нулю.

Принцип виртуальных перемещений является основным принципом, применяемым в решении задач статики в механике. Проведенные для статики рассуждения обобщаются и на случай динамики. Для этого необходимо в уравнении (2.5) перенести  направо и проделать те же операции, что и в статике. В результате получается уравнение:                 (2.9)

Если формально ввести силы инерции , то его можно записать в таком же виде, как уравнение принципа виртуальных перемещений:

.          (2.10)

Уравнение (2.10) формулируется как принцип Даламбера: Работа активных сил вместе с силами инерции на виртуальных перемещениях равна нулю.

Принцип Даламбера является основным принципом динамики систем материальных точек со связями. В отсутствие связей все  независимы, и из принципа Даламбера получаются уравнения второго закона Ньютона.

Виртуальные перемещения  можно выразить через изменения обобщенных координат, которые обозначим . Эти бесконечно малые изменения обобщенных координат рассматриваются для фиксированного момента времени и называются вариациями обобщенных координат. Посчитаем дифференциал от выражений (2.2 Преобразование от декартовых координат к обобщенным координатам в векторной форме:           ) при фиксированном . Так как время фиксировано и любое изменение обобщенных координат приводит к изменению , совместимых со связями, то полученные бесконечно малые изменения являются виртуальными перемещениями. В результате виртуальные перемещения выражаются через вариации обобщенных координат:

      (2.11)

Подставляя выражения для  из (2.11) в уравнение (2.9), получим еще одно выражение для принципа Даламбера: .         (2.12)

Поскольку вариации обобщенных координат независимы, то из (2.12) получается система уравнений

(2.13)

В системе уравнений (2.13) нет сил реакции связей, и число уравнений равно числу степеней свободы. В дальнейшем во все уравнения будут входить только активные силы, и мы специально не будем отмечать это.

Принцип Гамильтона

Использование принципа Даламбера позволяет не учитывать силы реакции связей и дает возможность применять произвольные обобщенные координаты. Однако, получение уравнений в обобщенных координатах может представлять трудности из-за наличия в принципе Даламбера   (2.13)    скалярных произведений. С помощью преобразований координат уравнения (2.13) можно преобразовать к виду, содержащему только скалярные функции обобщенных координат. Мы укажем другой путь, когда вначале от принципа Даламбера переходят к интегральному вариационному принципу. Получение уравнений механики из вариационного принципа позволило получить много важных результатов. В дальнейшем вариационные принципы стали использовать и в других областях теоретической физики.

Рассмотрим случай, когда силы имеют потенциал. Тогда виртуальная работа сил запишется в форме           (2.14)

В общем случае потенциальная энергия может зависеть от времени. Поскольку вариация вычисляется при фиксированном , это никак не сказывается на выводах. При использовании обобщенных координат потенциальная энергия в конечном счете является функцией обобщенных координат. Тогда вариация потенциальной энергии будет иметь вид

       (2.15)

По аналогии с выражениями (1.12) частные производные от потенциальной энергии по обобщенным координатам называют обобщенными силами:

       (2.16)

Для того чтобы преобразовать слагаемые с ускорениями к вариации от скалярной функции, предварительно проинтегрируем уравнение  (2.9) по времени :      .      (2.17)

В сумме, содержащей ускорения, рассмотрим одно слагаемое, например . Индекс  и массу временно опустим. Интеграл от этого слагаемого вычислим по частям

            (2.18)

Будем считать, что начальное в момент времени и конечное в момент времени  положения системы материальных точек заданы. Поэтому  для этих моментов времени равно нулю, и первое слагаемое в (2.18) обращается в нуль. Так как вариации координат рассматриваются для фиксированных моментов времени, то производную по времени и варьирование можно переставить местами. Второе слагаемое в (2.18) преобразуется к виду

  (2.19)

Такие же преобразования можно произвести для всех координат всех материальных точек. Учтем еще выражение (2.14) виртуальной работы через потенциальную функцию. В результате для интеграла (2.17) получим

. (2.20) Разность кинетической и потенциальной энергии, которая входит в последний из интегралов в формуле (2.20), называется функцией Лагранжа и обозначается буквой . Функция Лагранжа зависит от координат и скоростей материальных точек. При переходе к обобщенным координатам она выражается через обобщенные координаты и обобщенные скорости:

        (2.21)

Время может и не входить в функцию Лагранжа. Интеграл из (2.20) обозначается буквой  и называется действием;                (2.22)    

После введения этих обозначений условие (2.20) принимает вид                                 .                 (2.23)

Вариация действия равна нулю. Это означает, что действие имеет экстремум, принимает наибольшее или наименьшее значение, если в интеграл (2.22) в качестве зависимости  подставить функции, описывающие движение механической системы. Поэтому условие экстремума действия можно использовать для отыскания закона движения системы материальных точек.

Теперь можно сформулировать интегральный принцип, называемый принципом Гамильтона: Движение механической системы за конечный промежуток вре­мени от  до происходит таким образом, что действие имеет при этом экстремум.

Для консервативных систем принцип Гамильтона эквивалентен законам Ньютона. Поэтому он может считаться основным принципом механики, из которого выводятся все уравнения механики.. Это — вариационный принцип, так как зависимость обобщенных координат от времени  находится из условия минимума интеграла действия. Одним из преимуществ применения принципа Гамильтона является то, что в него входят только скалярные функции, которые можно пересчитать к произвольным обобщенным координатам. Поэтому ур-ия, которые вытекают из вариационного принципа, оказываются сразу записанными в обобщенных координатах. Получение ур-ий механики из вариационного принципа так же позволило решить ряд фундаментальных вопро­сов классической механики.