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非惯性系下的拉格朗日方程及其应用
摘要本文介绍了在非惯性系中建立动力学方程的方法,惯性系中拉格朗
日方程在非惯性系中的转换形式,以及非惯性系中的应用等研究成果。
关键词非惯性;拉格朗日方程;应用
在运用拉格朗日方程的计算中,多是在惯性系中进行的。诚然在惯性系中运
用拉格朗日方程有很多方便之处。但是有时会遇到在惯性系中考察则不易求出物
体的动能。
例:如图,物体绕Z轴转动,不易求出转动惯量IZ,则转动动能不易求出,
进而质点P的总的动能不易求出。在惯性系下运用拉格朗日方程有困难。此时,
如果考虑在非惯性系中,采用非惯性系下的拉格朗日方程,可能使得问题容易解
决,从而得到解决问题的另一条途径。
1)在非惯性系下拉格朗日方程的形式
在非惯性系中,牛顿定律形式上成立,则由几个质点所形成的力学体系的动
力学方程可写为
或
其中,为作用在第i个质点的约束反力的合力,为作用在第i个质点上的惯
性力的合力,为主动力的合力。在理想约束的条件下,则得:
把不独立的等改为用广义坐标等来表示,则上式变为:
(1.1式)
以下的推导过程可采用《理论力学教程》第二版(作者:周衍柏)中的推导
方法。只是在末尾增添上此项:
令进而推导可得:
将(A)中的三个式子代入(1.1式)可得:
由于相互独立,故得:
(1.2式)
这就是在非惯性系下的拉格朗日方程的基本形式。
2)存在属于保守力的惯性力
(1)根据保守力的定义或斯巴克斯公式易证牵连惯性力是保守力;
(2)由于惯性离心力是有心力,易证有心力属于保守力。
3)在非惯性系下的保守系的拉格朗日方程的形式对保守力系而言存在势能
V,且:
(B)式对也成立。
把(B)式代入(A)式,则:
同理也可求得。
其中V1属于保守力的主动力作用于力系而具有的势能;V2为属于保守力
的惯性力的作用而具有的势能。
令,即V为总的势能,则(1.2)可改写为:
令,即L为非惯性系下的拉格朗日函数,则可得:
(1.3)
4)非惯性系下的拉格朗日方程的运用
例1:一个光滑细管可在竖直平面内绕通过其一端的水平轴以匀角速转动。
管中有一质量为m的质点。开始时,细管取水平方向,质点距转动轴的距离为a,
质点相对于管的速度为v0,试由拉格朗日方程求质点相对于管的运动规律。
解;首先分析力。因科氏力在物体运动方向上不做功,由于求质点相对于管
的运动规律,故可用(1.3)。
在非惯性系下的动能:
离心力的作用而具有的势能:
重力势能:
非惯性系下的拉格朗日函数:
代入(1.3)
(以下由读者解答)。
例2:质量为m的小环M套在半径为a的光滑圆周上,并沿着圆周滑动,
如图,套在水平面内以匀角速绕圆上某点O转动。试求小环沿圆周切线方向的
运动微分方程。
解:因为求小环沿圆周切线方向的运动微分方程,故可在非惯性系下考虑问
题。分析力可知,只有离心力做功。
建立以为极点,为极轴的极坐标。则:
设O为离心力的零势能点。则:
运用非惯性系下的保守系拉格朗日方程(1.3)
推出此为运动微分方程。
本文推导的非惯性系下的拉格朗日方程在解决某些问题时,可能较惯性系下
的拉格朗日方程简便。但在大多数情况下,要用通常所说的拉格朗日方程较简便,
二者各有所长,相互补充。
参考文献
[1]吴德明.理论力学基础[M].北京大学出版社,1999.
[2]周衍柏.理论力学教程[M].高等教育出版社,1985.
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