Навчальна тема

Рівняння Лагранжа другого роду

Рівняння Лагранжа другого роду для механічних систем: узагальнені координати q, швидкості, узагальнені сили та складання рівнянь руху.

0 практичних завдань0 підтем

Рівняння Лагранжа другого роду дають систематичний спосіб отримати рівняння руху механічної системи через незалежні узагальнені координати, не вводячи явно реакції ідеальних в’язей.

Узагальнені координати

Якщо система має $s$ ступенів вільності, її конфігурацію можна задати незалежними координатами $q_1,\ldots,q_s$. Це можуть бути лінійні переміщення, кути або інші параметри, що однозначно визначають положення системи.

Узагальнені швидкості

Похідні $\dot q_j$ називають узагальненими швидкостями. Кінетична енергія системи записується як функція $T(q_j,\dot q_j,t)$.

Узагальнені сили

Віртуальна робота активних сил подається у вигляді:

$$\delta A=\sum_{j=1}^{s}Q_j\delta q_j,$$

де $Q_j$ — узагальнена сила, що відповідає координаті $q_j$.

Рівняння Лагранжа

Для системи з ідеальними в’язями:

$$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial\dot q_j}\right)-\frac{\partial T}{\partial q_j}=Q_j,\qquad j=1,\ldots,s.$$

Кількість незалежних рівнянь дорівнює числу ступенів вільності.

Консервативні сили

Якщо сили мають потенціальну енергію $\Pi(q,t)$, то $Q_j=-\partial\Pi/\partial q_j$ для відповідної консервативної частини. Вводячи функцію Лагранжа $L=T-\Pi$, рівняння можна записати як $d(\partial L/\partial\dot q_j)/dt-\partial L/\partial q_j=Q_j^{nc}$, де $Q_j^{nc}$ — неконсервативні узагальнені сили.

Алгоритм розв’язування

  1. визначити число ступенів вільності;
  2. вибрати незалежні $q_j$;
  3. виразити положення та швидкості частин системи через $q_j,\dot q_j$;
  4. обчислити $T$;
  5. визначити $Q_j$ або $\Pi$;
  6. скласти по одному рівнянню Лагранжа для кожної координати.

Приклад

Для вантажу маси $m$ на горизонтальній пружині з координатою $x$: $T=m\dot x^2/2$, $\Pi=kx^2/2$. Тоді рівняння Лагранжа дає $m\ddot x+kx=0$.

Типові помилки

  • вибирати залежні координати як незалежні;
  • плутати узагальнену силу зі звичайною силою в ньютонах — для кутової координати вона має розмірність моменту;
  • пропускати залежність кінетичної енергії від координат;
  • подвійно враховувати консервативну силу і через $\Pi$, і через $Q_j$.

Про цю тему

Тема вводить узагальнені координати й сили та рівняння Лагранжа другого роду як універсальний метод складання рівнянь руху.