Учреждение образования

Брестский госуд. Университет

Имени А. С. Пушкина

Физический факультет

Принцип наименьшего принуждения

(Реферат по курсу «Специализация»)

Выполнил студент 3 курса

Герман Владимир Владимирович

Брест, 2011

Содержание

1. Введение 3

2. Вспомогательные сведения 3

3. Формулировка принципа наименьшего принуждения 5

4. Доказательство принципа наименьшего принуждения 11

5. Энергетическая трактовка принципа Гаусса 12

6. Экстремальное свойство реакций связей 12

7. О геометрической интерпретации принципа Гаусса 12

8. Дифференциальные уравнения движения и принцип Гаусса 14

9. Заключение 15

10. Литература 17

В 1829 году в журнале «Крелле» (Crelle Journal fur die reine Mathematik) был опубликован мемуар Гаусса под названием «Об одном новом общем принципе механики» (Ube rein allgemeines Grundgesetz der Mechanik).

Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) – крупнейший математик Германии первой половины XIX века. В его научной работе сочетались исключительно глубокие исследования в области чистой математики (алгебра, теория чисел, теория эллиптических функций, дифференциальная геометрия поверхностей, неевклидова геометрия и т.д.) с не менее глубокими исследованиями в области приложений математики к задачам астрономии, высшей геодезии, теории магнетизма и др. Высокие научные заслуги Гаусса получили всеобщее признание в ученом мире Европы. В частности, Гаусс был член-корреспондентом Петербургской академии наук с 1802 по 1824 год и её иностранным почетным членом с 1824 года.

Упомянутый мемуар Гаусса состоял всего из четырех страниц текста. Это была его единственная работа по общей механике. В ней сформулирован новый принцип механики, который впоследствии стали называть принципом наименьшего принуждения или принципом Гаусса. Гаусс отмечал, что существенно новый принцип механики уже не может быть найден, но всегда интересно и поучительно исследовать законы природы с новой точки зрения, придём ли мы при этом к более простой трактовке того или иного частного вопроса или достигнем большей точности формулировок. Вот такая новая точка зрения и предложена в принципе наименьшего принуждения.

Этот принцип является наиболее общим принципом механики. Вместе с тем он наиболее прост при использовании. Область приложений принципа Гаусса весьма широка. Он применим в задачах механики, динамике сложных управляемых систем, динамике живых организмов, квантовой физике, теории гравитации и т.д.

Из-за общности, красоты, простоты и наглядности принципа наименьшего принуждения его без преувеличения можно назвать жемчужиной теоретической механики. «Насколько я знаю, – писал выдающийся французский математик Ж. Бертран, – не существует ни одной общей теоремы динамики, которая казалась бы более способной вызвать восхищение тонкого ума, но еще мало искушённого в аналитических преобразованиях и породить у него желание изучить науку, которая позволила бы ему ясно воспринять её доказательство».

Вспомогательные сведения

Для формулировки принципа Гаусса следует предварительно дать необходимые определения и понятия из теоретической механики.

Рассмотрим систему материальных точек P_v, v = 1, 2, ..., N, с массами m_v, радиусы-векторы и пря­моугольные декартовы координаты которых в непо­движной системе координат обозначим через r_v и x_v, y_v, z_v, через v_v и w_v обозначим скорость и ускорение точки P_v. Очень часто при движении системы поло­жения и скорости ее точек не могут быть произволь­ными. Ограничения, налагаемые на r_v и v_v, , которые должны выполняться при любых действующих на систему силах, называются связями. Если на систе­му не наложены связи, то она называется свободной. Системы со связями называют несвободными.

В общем случае связь задается соотношением f(r_u ..., r_n, Vj, ..., v_n, t) > 0. Если в нем реализуется только знак равенства, то связь называется удер­живающей. Например, при движении точки P по сфере постоянного или переменного радиуса R с центром в начале координат имеем удерживающую связь x² + y² + z² - R² = 0.

Если же в соотношении f > 0 реализуются как знак равенства, так и знак строгого неравенства, то связь называется неудерживающей. Пусть, напри­мер, две точки Р₁ и Р₂ связаны нерастяжимой нитью длины l. Здесь имеем неудерживающую связь, за­даваемую соотношением l² – (x_J – x₂)² – (y_x – y₂)² – (z₁ – z₂)² ≥ 0, которое означает, что точки не могут находиться одна от другой на расстоянии, большем l.

Если соотношение, задающее связь, не содер­жит проекции скоростей точек системы, то эта связь называется геометрической (или голономной), в противном случае связь называется дифференци­альной. Иногда дифференциальную связь можно представить в виде зависимости между координата­ми точек системы и временем (как в случае геомет­рической связи). Тогда ее называют интегрируемой. Неинтегрируемую дифференциальную связь назы­вают еще неголономной.

Точки несвободной системы не могут двигаться в пространстве совершенно произвольно. Их кине­матически возможные (то есть допускаемые связями) координаты, скорости, ускорения и перемещения должны удовлетворять некоторым соотношениям, вытекающим из уравнений связей.

Помимо перемещений, соответствующих дей­ствительному (истинному, реальному) движению, в механике важны еще так называемые виртуальные (воображаемые) перемещения. Виртуальным пере­мещением точки Р, называют такое ее малое переме­щение r_v = (x_v, y_v, z_v), мысленно осуществляе­мое из данного положения при фиксированном времени t, которое с точностью до членов первого порядка малости включительно относительно x_v, y_v, z_v не нарушает связей.

Поясним это на примере. Рассмотрим систему, состоящую из одной материальной точки, которая должна оставаться на поверхности f(x, y, z, t) = 0. Пусть в момент времени t точка занимает положе­ние P₀ с координатами x₀, y₀, z₀. Мысленно дадим точке бесконечно малое перемещение r = (x, y, z). Тогда ее координаты примут значения x₀ + x, y₀ + y, z₀ + z. Но не всякое r не нарушает связи. Если смещенная точка остается на поверхности, то x, y, z должны удовлетворять уравнению f(x₀ + x, y₀ + y, z₀ + z, t) = 0. Разлагая его левую часть в ряд Тейлора, получаем соотношение

где частные производные вычисляются в точке P₀, а многоточие обозначает члены выше первого поряд­ка малости относительно x, y, z. Если этими чле­нами пренебречь и учесть, что f(x₀, y₀, z₀, t) = 0, то придем к уравнению

определяющему виртуальные перемещения. Урав­нение (1), в частности, показывает, что в отличие от действительного перемещения, которое единствен­но, число виртуальных перемещений бесконечно: мы имеем одно линейное уравнение (1) относитель­но трех неизвестных x, y, z. Любой бесконечно малый вектор, имеющий начало в точке P₀ и лежа­щий в плоскости, касательной к поверхности f = 0, будет задавать виртуальное перемещение.

Бесконечно малые приращения x_v, y_v, z_v, на­зываются еще вариациями величин x_v, y_v, z_v. Пере­ход при фиксированном времени t из положения системы, определяемого радиусами-векторами r_v, в бесконечно близкое положение, определяемое ра­диусами-векторами r_v + r_v, называют синхронным варьированием.

Если система свободная, то ускорения a_v ее то­чек определяются из второго закона Ньютона: m_v a_v = F_v, где F_v — равнодействующая сил, приложенных к точке P_v. Если же система несвободная, то на ус­корения ее точек наложены вполне определенные ограничения. Величины a_v не будут, вообще говоря, удовлетворять этим ограничениям, то есть ускорения w_v точек P_v несвободной системы будут отличаться от их ускорений a_v в случае свободной системы, у точки P_v появляется дополнительное ускорение w_v - a_v. Это ускорение возникает за счет неизвестных сил, обус­ловленных наличием связей. Их называют реакция­ми связей. Силы F_v называют активными силами. Они являются известными функциями координат и скоростей точек системы, а также, возможно, и вре­мени t.

Обозначив через R_v равнодействующую реакций связей, приложенных к точке P_v, согласно второму закону Ньютона получим m_v (w_v - a) = R_v. Отсюда и из равенств m_v a_v = F_v следуют уравнения движения точек системы

m_vw_v = R + F_v, v = 1, 2, …, N.

Связи называются идеальными, если работа реакций этих связей на любых виртуальных перемещениях равна нулю, то есть

Примерами систем с идеальными связями могут служить следующие системы: материальная точка на абсолютно гладкой поверхности; свободное твердое тело; тело, вращающееся вокруг неподвиж­ной оси; два тела, соединенные точечным шарни­ром; два соприкасающихся тела при отсутствии проскальзывания; две точки, соединенные невесо­мой нерастяжимой нитью, не оказывающей сопро­тивления изменению ее формы (идеальная нить). Многие материальные объекты в природе и технике с приемлемой для практики точностью можно мо­делировать системой с идеальными связями. Далее рассматриваются только такие системы.