最小勢能原理

最小勢能原理屬物理學範疇,是指當一個體系的勢能最小時,系統會處於穩定平衡狀態。舉個例子來說,一個小球在曲面上運動,當到達曲面的最低點位置時,系統就會趨向於穩定平衡的一個原理。

最小勢能原理

最小勢能原理就是說當一個體系的勢能最小時,系統會處於穩定平衡狀態。舉個例子來說,一個小球在曲面上運動,當到達曲面的最低點位置時,系統就會趨向於穩定平衡。

詳解

勢能最小原理與虛功原理本質上是一致的。宇宙萬物,如果其勢能未達到“最小”(局部概念),它總要設法變化到其“相對”最小的勢能位置。舉個例子:一個物體置於高山上,它相對於地面來說有正的勢能(非最小),因而它總有向地面運動的“能力”(向地面“躍遷”)(其力學本質是其處於一種不穩平衡狀態)。因此,它試圖(也只有)向下運動,才能保證其達到一個相對平穩的狀態。

最小勢能原理是勢能駐值原理線上彈性範圍里的特殊情況。對於一般性問題:真實位移的“平衡狀態”(包括穩定平衡和不穩定平衡)使結構的勢能取駐值(一階變分為零),穩定平衡狀態使結構的勢能取最小值。對於彈性問題,穩定平衡狀態線上彈性問題中取最小值(由靜力彈性問題解的唯一性,只有一個最小值)。

形象的說,當你在一百米高的鋼絲繩上走的時候你總是希望儘早回到地上,但其實只要你不動你也是平衡的,因為駐值也可以是極大值(此時稱為隨遇平衡)。而當你在一百米高的大樓里的辦公室里時,你並不害怕,因為周圍的物體的勢能均不比你小,此時駐值取的是極小值而不是最小值。

在有限元的理論中,滿足平衡微分方程的位移使得勢能取得極小值。這個極小值一般被認為是可行域中的最小值,但有時也並不相同。

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