Обобщенными координатами (q) называются такие независимые друг от друга параметры, которые однозначно определяют поведение механической системы.
Число обобщенных координат всегда равно числу степеней свободы механической системы.
В качестве обобщенных координат могут быть выбраны любые параметры, имеющие любую размерность.
Например, при изучении движения математического маятника, имеющего одну степень свободы, в качестве обобщенной координаты q могут быть приняты параметры:
x (м), y (м) – координаты точки;
s (м) – длина дуги;
s (м2) – площадь сектора;
j (рад) – угол поворота.
При движении системы ее обобщенные координаты будут с течением времени непрерывно изменяться
. (107)
Уравнения (107) – это уравнения движения системы в обобщенных координатах.
Производные от обобщенных координат по времени называются обобщенными скоростями системы
. (108)
Размерность обобщенной скорости зависит от размерности обобщенной координаты.
q | |||
размерность | наименование | размерность | наименование |
м | линейное перемещение | м/с | линейная скорость |
рад | угол поворота | рад/с | угловая скорость |
м2 | площадь сектора | м2/с | секторная скорость |
Через обобщенные координаты могут быть выражены любые другие координаты (декартовы, полярные и др.).
|
|
Наряду с понятием обобщенной координаты вводится понятие обобщенной силы.
Под обобщенной силой понимают величину равную отношению суммы элементарных работ всех сил, действующих на систему на некотором элементарном приращении обобщенной координаты, к этому приращению
, (109)
где S – индекс обобщенной координаты.
Размерность обобщенной силы зависит от размерности обобщенной координаты.
Для нахождения уравнений движения (107) механической системы с геометрическими связями в обобщенных координатах используются дифференциальные уравнения в форме Лагранжа II рода
. (110)
В (110) кинетическая энергия T системы выражена через обобщенные координаты qS и обобщенные скорости .
Уравнения Лагранжа дают единый и достаточно простой метод решения задач динамики. Вид и число уравнений не зависит от количества тел (точек), входящих в систему, а только от числа степеней свободы. При идеальных связях эти уравнения позволяют исключить все заранее неизвестные реакции связей.