Замечание 4. О неголономных системах. Пример

Пример 2. Движение тележки по вращающемуся стержню.

Пример 1. Математический маятник с изменяющейся длиной.

Замечание 3. Обобщенные силы, обеспечивающие постулируемую зависимость координат от времени. Примеры.

Замечание 2. Принцип возможных скоростей

Поскольку уравнения равновесия (покоя) являются частным случаем уравнений динамики и получаются из них приравниванием нулю скоростей и ускорений, т.е. левых частей уравнений (6.2), то в положении равновесия обобщенные силы равны нулю; отсюда в соответствии с их определением следует утверждение:

необходимым условием равновесия является равенство нулю мощности воздействий, вычисляемых на произвольных скоростях, сообщаемых телу в положении равновесия. Это утверждение называется принципом возможных скоростей (перемещений)».

Следует подчеркнуть, что изложенный выше подход позволяет вычислять обобщенные силы (воздействия), которые обеспечивают постулируемую ранее зависимость некоторых координат от времени.

Материальная точка массы m подвешена на нити, длина которой изменяется по закону. Система имеет две обобщенные координаты - и.

S

Кинетическая энергия, мощность

Уравнения Лагранжа;

Из первого уравнения определяется натяжение нити S.

Пренебрежем (для простоты) массой и размерами самой тележки, обозначим через массу всех колес, которые будем считать дисками радиуса, осевой момент инерции крана, жесткость пружины.

Система имеет две степени свободы. Запишем уравнения Лагранжа

,.

Сообщим находящейся в актуальном (т.е. произвольном) положении системе скорости и напишем кинетическую энергию

,

где - скорость центра колеса, центральный тензор инерции, угловая

скорость колеса.

Приняв кран за подвижную систему отсчета, найдем

,

.

Обобщенные силы найдем «по определению» из мощности, причем ввиду независимости обобщенных скоростей можно для упрощения вычислений считать нулями все скорости кроме одной.

1. Положим:.

2.Положим:,

где длина недеформированной пружины.

Уравнения Лагранжа будут иметь вид

Рассмотрим частный случай движения, при котором кран вращается с постоянной угловой скоростью (именно этот случай чаще всего встречается в учебных задачах).

Второе уравнение запишем в виде:

.

Для достаточно жесткой пружины это уравнение описывает гармонические колебания

.

Первое уравнение дает нам значение момента, который необходим для вращения с постоянной угловой скоростью:

Заметим, что запись теоремы в виде (6.1) позволяет получать уравнения и для неголономных систем с линейными связями между скоростями вида

. (6.7)

Для этого необходимо выразить из (6.7) q скоростей через (n-q) «независимых», подставить их в (6.1) и привести к аналогичной записи

,

откуда следуют уравнения, последние совместно с уравнениями связей (6.7), которые, разумеется, дифференцируются, и замыкают задачу.

Пример 3. Движение стержня в вертикальной плоскости.

Скорость центра масс направлена вдоль стержня. Масса стержня m, момент инерции относительно горизонтальной центральной оси J.

Обобщенные координаты – декартовы координаты центра масс и угол поворота. Кинетическая энергия m() + J,

мощность, где перпендикулярная к стержню сила обеспечивает выполнение уравнения связи

Уравнение (6.1) имеет вид.

Подставляя в него уравнение связи, получим

= 0,

mg

x

n

y

откуда

Второе уравнение сразу дает, а первое заменой приводится к линейному уравнению, решение которого имеет вид

, откуда находим, а из уравнения связи:

,

Эта задача приводится в книге, где она решалась методом неопределенных коэффициентов Лагранжа и с помощью уравнений Аппеля.

Дата добавления: 2014-01-04