物理竞赛虚功原理讲解

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1、§2、虚功原理上次课主要是介绍了分析力学中经常要用到的一些基本概念，并由虚功的概念和理想约束的概念导出了解决静力学问题的虚功原理：。虚功原理适用的范围是：质点组，它适用的前提条件是只受理想约束。这次课就举一些具体例子，使我们能够了解如何利用虚功原理去解决静力学问题。三、应用虚功原理解题：例1、如图所示，有一质量为m，长度为的刚性杆子，靠在墙上，在与地面接触的B端上受一水平向左的外力，杆子两端的接触都是光滑的，当杆子与水平地面成α角时，要使杆子处于平衡状态，问作用在杆子B端上的力有多大？求=？解：由题意可知它是一

2、个静力学问题，而且接触都是光滑的，显然可以应用虚功原理来求解这个问题。这个例子很简单，简单的题目往往能够清楚地说明物理意义，为了说明虚功原理的意义，如果一开始就举复杂的例子，由于复杂的数字计算将会掩盖物理意义，所以就以这个简单的例子来看看如何应用虚功原理来解出它。第一步当然也是确定研究对象，即①选系统：在这个例题中，我们就取杆子为应用虚功原理的力学系统。②找主动力：作用在我们所选取的系统上的主动力有几个？有两个。一个是水平作用力，还有一个是重力m作用在杆子的质心上。因为杆子两端A、B处的接触是光滑的，∴在该两处

3、的约束力也就不必考虑。③列出虚功方程：主动力找出来以后，视计算方便起见，适当选好坐标，并根据虚功原理列出虚功方程。现在选取如图所示的直角坐标，于是我们现在就可列出系统的虚功方程。列虚功方程时，正、负号是个很重要的问题，如果按虚位移的实际方向与力的方向间的关系确定虚功的正负号，很容易弄错。为了不容易弄错，我们还是按力的作用点的坐标的正方向与力的方向间的关系来确定虚功的正负号。这种方法既方便而又不容易搞错。在列方程时必须要注意这个问题。∵的方向与其作用点的坐标X的正方向相反，∴F取负而δXB取正，∴此力的虚功为负的

4、，即：……①，由于虚功方程中的两个虚位移不是相互独立的，∴我们还需要将它们化成独立变量，然后才能令独立虚位移前的乘数等于零，从而求出最后的结果。我们从图上很容易得出：,。则，对变分则有：，将它们代入①式就可得到：→，∵是独立的，可以使它不等于零。∴之前的乘数应该等零，故有：。于是就可解得题目所要求的结果为：。对于这个问题，如果按位移的实际方向与力的方向确定虚功正负的话，将会得出这样的结果，设想杆子在的作用下向里有一虚位移，∵的方向与虚位移方向相同，∴是作正功的，应该为正的。而重力m的方向与力的作用点的位移δyC

5、的方向相反，∴重力的功是负的，于是得到的结果：是错的。对这个简单例子的求解主要是说明了应用虚功原理的解题步骤。由上面的求解过程可以看出，应用虚功原理解题的步骤一般是：第一步先找出所要考虑的质点组或者刚体，也就是1、找出所要研究的系统。2、找出系统所受的主动力。3、列出虚功方程。列出的虚功方程中的虚位移里的坐标不一定要独立，虚功的正负号很重要，要正确判断。我们还是以所选坐标的正方向为标准，也就是上面解题时所采用的方法。另外还得注意：计算虚功的参考系必须是静止的。4、虚功方程列出之后，要把方程中的虚位移化成独立的变

6、量。其方法有两种：一种是先找出坐标间的关系，再微分得出，这种方法就叫分析法，我们上面的例子采用的就是这种方法。另外一种是观察法，根据观察直接找出虚位移之间的关系。这种方法只在某些简单的情况下可行。5、最后就是将找出的虚位移之间的关系代入虚功方程求解出最后的结果。应用虚功原理解题的步骤一般来说大致是这样的。当然对具体的题目要作具体的处理，并不一定要这样呆板，可灵活地去做，对我们初学者来说，有据可依总是有益处的。当然这个例子也可以用牛顿力学中的静力平衡方程很容易地解出……。下面我再举一个应用虚功原理求约束力的例子。

7、例2、如图中所示的框架，它是由四根重量和长度都相同的杆子光滑铰接而成的四边形框架，中间B、D两端又光滑铰接一轻杆，A端是挂在天花板上的，已知框架上每一根秆子的重量为p，长度为，试求平衡时此轻杆所受之力？解：可见这个例子要我们求的是轻杆两头所受的力。为此我们可以把B、D撤消，撤消杆子也就等于撤消约束。（在框架的B、D两）将约束去掉而代之的是作用在框架B、D两处向外的作用力T(如下图所示)并使系统仍处于原来的平衡状态，这里的系统自然是指这个平行四边形框架。此时我们就可以将去掉的约束而代之的两个作用力T看作为系统所受

8、的主动力，而其他的约束仍然是理想的。于是就可应用虚功原理求出这两个力。这两个力其实就是杆子对框架的约束压力，求出了它当然也就求出了杆子所受的力。现在我们对所讨论的问题和系统都已明确，于是就可着手找出系统的主动力。对框架这个系统除了受到T这两个主动力之外，还有作用于各杆上的四个重力，这四个重力的合力可用作用在框架对称中心E点的4P代替。在这里坐标就取垂直对称轴向下为Y轴的正向，A为坐标原