理想約束

理想約束

如果作用在一力學體系上諸約束反力在任意虛位移δr中所作的虛功之和為零,那么這種約束叫做理想約束。理想約束的概念是從實際約束中抽象得來,它反映了相當廣泛的一些實際約束的主要性質。

定義

理想約束 理想約束

作用在質點上的力(包括約束反力)在任意虛位移δ r中所作的功,叫做虛功,如果作用在一力學體系上諸約束反力在任意虛位移δ r中所作的虛功之和為零,即 時(其中Ri是理想約束力)那么這種約束叫做理想約束。

根據約束力作實功等於零,常見的光滑固定面約束、光滑鉸鏈、無重剛桿、不可伸長的柔索、固定鉸鏈支座、滾動支座、固定端等約束均為理想約束,現從虛功角度看,這些約束仍然為理想約束。另外,由於固定粗糙平面約束力對純滾動剛體所做的實功與虛功均為零,也可認為粗糙平面對純滾動的約束為理想約束。

幾種常見情況

光滑接觸面約束

光滑接觸面約束的約束反力總兩接觸面上通過接觸點的公法線方向,而質點的虛位移在接觸面過接觸點的切面上(如圖1所示)。因此,約束反力在任何虛位移中的虛功恆等於零。

無重剛桿約束

理想約束 理想約束

圖2所示為一無重剛性桿連線兩質點,A、B兩質點的約束反力 沿桿軸線,大小相等,方向相反。設A、B兩質點的虛位移分別為 。由於質點系的虛位移應該滿足相容條件,剛性桿不能變形,A、B兩點的虛位移在AB連線上的投影必然相等,即有: 。因此,約束反力 二力在相應的虛位移上的虛功之和為零。

圖2 無重剛桿約束 圖2 無重剛桿約束

連線兩剛體的光滑鉸鏈約束

理想約束 理想約束

圖3所示,剛體A、B由光滑鉸鏈連線在一起。作用在銷釘O上的約束反力 大小相等,方向相反,即 。顯然,此二力在銷釘O的任何虛位移上的虛功之和為零。

圖3 連線兩剛體的光滑鉸鏈約束 圖3 連線兩剛體的光滑鉸鏈約束

不可伸長的繩索

理想約束 理想約束

圖4所示為一單擺,單擺由一端固定,另一端系住一質點M的不可伸長的繩索組成。設繩索不可伸長,小球在繩索的約束下,可在平面內擺動。將小球視為一個質點,如果在運動中,始終滿足約束條件,繩索既不鬆弛也不蜷曲,小球在鉛垂位置時,繩子給小球的約束力 (拉力),質點的虛位移必垂直於繩索拉力,為水平方向,拉力在該質點的虛位移的虛功等於零;當球擺到繩與鉛錘線成任意θ角時,繩子給小球的約束力,質點的虛位移沿小球軌跡的切線方向,仍然垂直於繩索拉力,即不可伸長的繩索拉力在質點的任何虛位移上的虛功等於零。

圖4 不可伸長的繩索 圖4 不可伸長的繩索

無滑動的滾動

理想約束 理想約束

如圖5所示,圓輪在固定約束面上作無滑動的滾動,如果接觸面足夠剛性,可以略去滾動摩阻力偶,則當輪子作無滑動的滾動時,輪子與約束面的接觸點是輪子作平面運動的瞬心C,可以將輪子的運動看做是繞瞬心C作瞬時轉動,C點處的虛位移為零,約束輪子運動的法向力和摩擦力都通過C點,因此有:。

圖5 無滑動的滾動 圖5 無滑動的滾動

研究意義

力學研究中,理想約束具有重要的意義,實例也非常多,如質點強制地沿固定光滑面的運動,質點強制地沿運動的或變形的光滑面的運動,圓球或圓盤沿完全粗糙的水平面作純滾動,兩剛體間理想光滑接觸,兩剛體間光滑鉸接,等等。經典力學和現代力學的大多數理論研究都是基於該假設的.因此具有非常重要的意義。

同時該假設的工程實際套用也是完全可能的,且實際效果也非常成功。這是因為,第一,為描述自然現象和大多數技術過程,必然要做各種各樣的假設,而理想約束這樣的假設有足夠的精確度。如複雜的機構系統可看成是剛體系統,其中剛體兩兩之間或剛性連線後鉸鏈聯結或以其表面相接觸。第二,即便系統所受約束不是理想約束.我們也可以將其作為主動力來考慮,如摩擦力作虛功,可將其歸為主動力範疇來考慮,由於未知量摩擦力的出現而缺少的方程由摩擦定律來補充。分析力學在處理約束問題上這一創造性的特點,具有重要的理論及實際意義。

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