动力学普遍方程拉格朗日方程.ppt

* * 第二十五章 动力学普遍方程和 拉格朗日方程 25.1 动力学普遍方程 例题1 25.2 第二类拉格朗日方程 例题2 例题3 例题4 例题5 第二十五章 动力学普遍方程 和拉格朗日方程 根据达朗伯原理和虚位移原理，可以导出非自由质点的动力学普遍方程。 利用它解决问题时，可以避免约束反力在动力学方程中的出现，比较方便! 第一类拉格朗日方程：用直角坐标描述的非自由质点系的拉格朗日方程 ------模拟和求解复杂系统的动力学问题 第二类拉格朗日方程：将完整约束系统的动力学普遍方程表示为广义坐标的形式，可以推得。 ----可以直接写出个数与系统自由度相同的独立运动方程。 25.1 动力学普遍方程 设一个质点系由n个质点组成， 在任意瞬时,加速度为 第i个质点的质量为 根据达朗伯原理，在其上加达朗伯惯性力 作用于此质点上的主动力的合力 约束反力的合力 达朗伯惯性力 (25.1) 则 点积虚位移 对这n个式子求和 若为理想约束，由虚位移和理想约束的条件知 (25.2) (25.3) 在具有理想约束的质点系中，在运动的任一瞬时，作用在其上的主动力系和达朗伯惯性力系在任意系统的任何一组虚位移上的虚功之和等于零。 动力学普遍方程或者达朗伯—拉格朗日原理 说明 (25.4) 上式变为： 例25.1 如图所示，有两个半径皆为r的轮子A，B，轮心通过光滑圆柱铰链与直杆AB相连，在倾角为 的固定不动的斜面上作纯滚动。设两轮重皆为P，重心都在轮上，对轮心的转动惯量为J，连杆重Q。求连杆运动的加速度。 解: (1)以两轮和连杆组成 的系统为研究对象 系统所受约束为理想约束 a A B P P Q 若连杆发生平行于斜面向下的的虚位移为 ,则轮心的虚位移也为,轮子相应的虚转角 (3) 轮子作纯滚动,其达朗伯惯性系可以简化为 通过轮心的达朗伯惯性力 达朗伯惯性力偶矩 其中 连杆作平动,其达朗伯惯性力系可简化为过其质心的一个达朗伯惯性力 (2)系统所受的主动力为重力P,P和Q （5）? 根据动力学普遍方程 得： 方向平行于斜面向下. 25.2 第二类拉格朗日方程 直接用质点系的广义坐标的变分来表示各质点的虚位移,对完整约束系统来说,可推得与系统自由度相同的一组独立的运动微分方程 设完整约束的质点系由n个质点组成,系统的自由度为k,广义坐标为 各点的虚位移可表示为 代入 各质点相对于定点O的矢径可表示为 (25.5) （25.6) 得 （25.7） 交换上式 求和顺序得 广义主动力： 广义达朗伯惯性力： 先引入两个经典的拉格朗日关系式： （1）????? 第一个经典拉格朗日方程 由 对时间求导 再对 求偏导数 得到 （2） 第二个经典拉格朗日方程 在上式对s个广义坐标 求偏导数得 即 也可以写为 或 对于不变质点系 由 得 引入系统动能 对 求偏导数 将以上公式代入 得 由以上将 改写为 因为 的相互独立性 得第二类拉格朗日方程 若质点系所受的全部的主动力为有势力 系统的势能只是系统广义坐标的函数 可得 引进L=T-V,成为拉格朗日函数，则上式为 应用动力学普遍方程解题时的注意事项： （1）系统中各质点的加速度与各刚体 的角速度都必须是绝对加速度于绝对角 速度。 （2）计算主动力与惯性力的虚功时所 涉及到的虚位移必须是绝对虚位移。 拉格朗日方程得解题步骤 （1）以整个系统为研究对象，分析系统的 约束性质，确定系统的自由度数，并恰当选 取同样数目的广义坐标 （2）写出广义坐标，广义速度表示的系统 的动能 （3）计算广义力。比较方便而且常用得式 由公式 计算。当主动力均为有势 力时，则需求广义坐标表示的系统的势能， 并写出拉氏函数。 （4）计算各相应的导数 （5）根据相应形式的拉氏方程，建立质点系 的运动微分方程。 例25．2 一质量为m的小球与弹簧的一端相连，弹簧的另一端固定。已知弹簧的质量不计，弹性系数为k，在平衡位置式的长度为L。是求小球在同一铅垂面内运动的拉氏方程。 o k m r (1)??????????? 取小球和弹簧组成的系统为