广义坐标

✍ dations ◷ 2025-07-11 06:17:46 #力学,经典力学,拉格朗日力学,坐标系

广义坐标是不特定的坐标。假若,我们用一组广义坐标来导引方程,所得到的答案,可以应用于较广泛的问题;并且,当我们最后终于设定这坐标时,答案仍旧是正确的。拉格朗日力学,哈密顿力学都需要用到广义坐标来表示基要概念与方程。

当分析有的问题时(尤其是当有许多约束条件的时候),最好尽量选择独立的广义坐标。因为,这样可以减少代表约束的变数。但是,当遇到非完整约束时,或者当计算约束力时,就必须使用关于这约束力的,相依的广义坐标。

在三维空间里,假设一个物理系统拥有 n {\displaystyle n\,\!} 颗粒子;那么,这系统的自由度是 3 n {\displaystyle 3n\,\!} 。再假设这系统有 h {\displaystyle h\,\!} 个完整约束;那么,这系统的自由度变为 m = 3 n h {\displaystyle m=3n-h\,\!} 。必须用 m {\displaystyle m\,\!} 个独立广义坐标 ( q 1 ,   q 2 ,   ,   q m ) {\displaystyle (q_{1},\ q_{2},\ \dots ,\ q_{m})\,\!} 与时间 t {\displaystyle t\,\!} 来完全描述这系统的运动。坐标的转换方程可以表示如下:

虽然我们可能会遇到复杂的系统时,这转换方程具有足够的灵活性来选择最合适的坐标。在思考虚位移与广义力时,这转换方程也可以用来建造微分。

一个复摆,被约束地移动于一垂直平面,可以用四个直角坐标 { x 1 ,   y 1 ,   x 2 ,   y 2 } {\displaystyle \lbrace x_{1},\ y_{1},\ x_{2},\ y_{2}\rbrace \,\!} 来描述。但是,这系统的自由度是2;我们可以用两个广义坐标来更精简地描述这双摆运动:

这里,

一粒珠子,被约束地移动在一条穿过它的铁丝上,自由度是1。它的运动可以用一个广义坐标来描述

这里, s {\displaystyle s\,\!} 是珠子离铁丝上一个参考点的径长。这三维空间运动已被减缩为一维空间运动了。

一个物体,被约束在一个表面上,自由度是2;虽然它的运动也是嵌在三维空间里。如果这表面是球表面,一个很好的选择是

这里, θ {\displaystyle \theta \,\!} ϕ {\displaystyle \phi \,\!} 是球坐标系的角坐标。因为 r {\displaystyle r\,\!} 坐标是常数,可以被忽略掉。

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