虚功原理小记

虚功原理(Principle of Virtual Work)是由Johann J. Bernoulli在1717年提出的。它表述为:一个受力平衡的系统若给定一个虚位移,则力在虚位移上所做虚功之和为零。

在这个定理中我们要注意两个概念:

(1) 虚位移:它是系统质点坐标同时给定的无限小变化,这个变化只要满足系统的约束即可。

(2) 虚功:它是力系在虚位移所做的功。因为由虚位移引起的几何变化很小,故在计算虚功时假定力是保持不变的。

虚功原理虽然是Bernoulli针对静力问题提出的,但D’ Alembert将它扩展到了动力学中,就是他引入了惯性力(inertia forces)的概念。在动力学中,惯性力亦被视为主动力(active forces)。

以上参见Thomson和Dahleh所著《Theory of Vibration with Applications》第25页。

下面是我出于好奇查询维基百科和google所作的一些补遗和思考:

(1) Johann Bernoulli(也有写为John Bernoulli)就是那位发起最速降线问题挑战的大数学家(这个问题最早由Galileo系统表述,遗憾的是 他得出的答案是错误的),他还是超级牛人Leonhard Euler的启蒙老师。

(2) Johann Bernoulli干了一件很不地道的事。在1738年,他和他的儿子Daniel几乎同时分别发表了流体力学的工作成果。可是为了表明自己的领先地位,Johann大师却故意将工作完成的日期提前了两年。

(3)虚功原理,亦称为单位力法或最小作用原理(Principle of Least Action)。若一个力作用一个质点且该质点从A点移至B点,则虚功原理表述为:质点所经实际路径具有这样一个特质,即力在该路径和其它与其无限接近的路径中所做功的差别为零。(from 维基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_work)

(4) 最初,虚功原理仅用于解决刚体系统的分析,但之后又被应用于可变形体的力学研究之中, 也就有了今天所说的“变形体虚功原理”。可是从刚体转向连续体后,虚功原理的表述和认识却发生了一些变化。在刚体或质点系统中,主动力的概念是明确的,而应用于连续体时,却出现了连续体中的“内力”。如何解释和表述“内力功”就成为了一个问题。这件事的讨论可以从百度得到。

(5)如果我们站在数学的立场看,虚位移就是系统位移的变分,虚功为零即是功的变分为零。虚功原理就是微分方程变分法的力学表述。

(6) 在数学形式上,虚功原理将向量求合为零(力系平衡)的问题转变为了标量求和为零(虚功为零)的问题。这一转变化繁入简,使得复杂系统的分析变得轻松起来。一个理论之所以牛掰是因为它的观点更深刻,形式更简约。

(7)如果我们能根据虚功原理列出力系中所有主动力(含惯性力)的各项虚功,求和为零并约去虚位移(位移变分)即得到了运动微分方程。