分析力学,拉格朗日方程

拉格朗日方程的三种推导方法 1 引言拉格朗日方程是分析力学中的重要方程，其地位相当于牛顿第二定律之于牛顿力学。

2 达朗贝尔原理推导达朗贝尔原理由法国物理学家与数学家让•达朗贝尔发现并以其命名。

达朗贝尔原理表明：对于任意物理系统，所有惯性力或施加的外力，经过符合约束条件的虚位移，所作的虚功的总合为零。

即：δW =∑(F i +I i )∙δr i =0i(1)其中I i 为惯性力，I i=−m i a i 。

F i 为粒子所受外力，δr i 为符合系统约束的虚位移。

设粒子 P i 的位置 r i 为广义坐标q 1,q 2,⋯,q n 与时间 t 的函数：r i =r i (q 1,q 2,⋯,q n ,t)则虚位移可以表示为：δr i =∑ðr i ðq jjδq j(2)粒子的速度v i=v i (q 1,q 2,⋯,q n ,q 1,q 2,⋯,q n ,t) 可表示为：取速度对于广义速度的偏微分：(3)首先转化方程 (1) 的加速度项。

将方程 (2) 代入：应用乘积法则：注意到的参数为，而速度的参数为，所以，。

因此，以下关系式成立：(4) 将方程(3) 与(4) 代入，加速度项成为代入动能表达式：，则加速度项与动能的关系为(5) 然后转换方程(1)的外力项。

代入方程(2) 得：(6) 其中是广义力：将方程(5) 与(6) 代入方程(1) 可得：(7) 假设所有的广义坐标都相互独立，则所有的广义坐标的虚位移也都相互独立。

由于这些虚位移都是任意设定的，只有满足下述方程，才能使方程(7) 成立：(8) 这系统的广义力与广义位势之间的关系式为代入得：定义拉格朗日量为动能与势能之差，可得拉格朗日方程：3哈密顿原理推导哈密顿原理可数学表述为：21ttLdtδ=⎰在等时变分情况下，有()dq q dt δδ•=2211()0t t t t Ldt L dt δδ==⎰⎰ (1)由拉格朗日量定义得，在等时变分情况下有L LL q q qqδδδ••∂∂=+∂∂(2)其中第一项可化为：()()()LL d d L d L q q q q dt dt dt q q q q δδδδ•••••∂∂∂∂==•-∂∂∂∂(3)将(3)代入(2)得()()d L d L LL q q qdt dt qq q δδδδ••∂∂∂=•-+∂∂∂ (4)将(4)代入(1)得2121()(())0t t t t L d L L q q q dt dt qqq δδδ••∂∂∂•+-+=∂∂∂⎰(5)在12,t t 处0q δ=，所以(5)变为21(())0t t d L Lq q dt dt qq δδ•∂∂-=∂∂⎰(6)即21[(())]0t t d L Lq dt dt qq δ•∂∂-+=∂∂⎰(7)q 是独立变量，所以拉格朗日方程：4欧拉-拉格朗日方程推导欧拉-拉格朗日方程可以表述为：设有函数和：其中是自变量。

拉格朗日方程是理论力学中非常重要的方程。

像牛顿力学一样，它是对机械系统的描述。

但是与牛顿力学不同，他从整个系统的角度分析了系统的运动状态，而牛顿力学则分别分析了每个粒子。

这两种方法是等效的，可以相互推论，但使用方案却大不相同。

拉格朗日方程以数学物理学家约瑟夫·拉格朗日（Joseph Lagrange）的名字命名，是分析力学中的重要方程，可用于描述物体的运动，特别适合于理论物理学的研究。

拉格朗日方程的功能等效于牛顿力学中的牛顿第二定律。

假定一个物理系统满足一个完整系统的要求，即所有广义坐标彼此独立，则拉格朗日方程式为：其中，是拉格朗日量，广义坐标，时间函数和广义速度。

以分析力学为指导，有三种方法可以指导拉格朗日方程。

最原始的方法是使用D'Alembert原理来指导Lagrange方程（请参阅D'Alembert原理）。

在更高级的水平上，拉格朗日方程可从哈密顿原理（指哈密顿原理）推导。

最简而言之，它可以通过数学变分方法的欧拉-拉格朗日方程推导：集合函数sum：,,,;哪里是自变量。

如果该函数获得局部平稳值，则Euler-Lagrange方程将保持在区间。

现在，进行以下变换：将自变量设置为时间，将函数设置为广义坐标，并将函数设置为拉格朗日量，从而可以获得拉格朗日方程。

为了满足此转换的正确性，广义坐标必
须彼此独立，因此系统必须是完整的系统。

拉格朗日量是动能减去势，势必须是广义势。

因此，该系统必须是单人系统。

拉格朗日方程的三种推导方法拉格朗日方程是分析力学中极为重要的定理之一，它描述了质点或系统在给定约束条件下的运动方程。

拉格朗日方程的推导方法有三种，分别是拉格朗日第一类方法、拉格朗日第二类方法和哈密顿原理。

下面将对这三种方法进行详尽的介绍。

首先，我们来介绍拉格朗日第一类方法。

这种方法是通过将约束条件转化为广义坐标之间的代数方程，然后使用这些方程消去广义坐标的导数，得到含有广义坐标和广义速度的方程，然后再代入拉格朗日函数，就可以得到拉格朗日方程。

设系统中有n个质点，它们的质量分别为m1、m2、..、mn，它们的位置矢量为r1、r2、..、rn。

约束条件可以表示为f(r1, r2, ..., rn)= 0。

广义坐标q1、q2、..、qs可以用位置矢量表示为q1 = q1(r1,r2, ..., rn)，q2 = q2(r1, r2, ..., rn)，...，qs = qs(r1, r2, ..., rn)。

广义速度可以定义为q1' = dq1/dt，q2' = dq2/dt，...，qs' =dqs/dt。

根据拉格朗日第一类方法，可以将约束条件转化为广义坐标之间的代数方程，即f(q1(q1, q2, ..., qs), q2(q1, q2, ..., qs), ...,qs(q1, q2, ..., qs)) = 0（1）。

然后对式(1)两边求导，以消去广义速度，得到：∂f/∂q1 * q1' + ∂f/∂q2 * q2' + ... + ∂f/∂qs * qs' = 0（2）接下来，根据拉格朗日函数定义为L = T - U，其中T是系统的动能，U是系统的势能。

动能和势能可以分别表示为T = T(q1, q2, ..., qs,q1', q2', ..., qs')，U = U(q1, q2, ..., qs)。

根据广义坐标和广义速度的定义可以得出q1, q2, ..., qs和q1', q2', ..., qs'是相互独立的。

分析力学拉格朗日方程拉格朗日方程是描述物体在力的作用下运动规律的一个重要工具，是分析力学中的核心内容之一、它由意大利科学家拉格朗日在17世纪末提出，是一种基于能量的方法，对于描述系统的运动非常方便和有效。

拉格朗日方程的形式为：d/dt(dL/dq) - ∂L/∂q = Q，其中L为系统的拉格朗日函数，q表示广义坐标，t表示时间，Q表示外力。

拉格朗日函数L通常由系统的动能和势能函数构成，即L = T - V，其中T表示动能，V表示势能。

拉格朗日方程的推导是基于广义坐标的变分原理，即作用量最小原理。

根据广义坐标的定义，系统的运动可以由广义坐标的函数关系描述。

在运动过程中，系统的作用量S定义为积分∫Ldt，即拉格朗日函数关于时间的积分。

根据变分原理，作用量的真实路径使得作用量的变分δS等于零。

通过变分运算可以得到拉格朗日方程。

拉格朗日方程的形式简洁、便于应用，可以用来描述各种复杂的物体和系统。

它可以用来研究刚体的转动、弹簧振子的运动、多体系统的动力学等。

拉格朗日方程的特点是将系统的动能和势能统一在一个函数中描述，因此能够非常清晰地反映出系统的能量变化情况。

拉格朗日方程的应用可以帮助我们解决物理问题和工程实践中的许多复杂情况。

例如，在机械系统中，可以根据拉格朗日方程求解刚体的绕定轴转动、杆塔的动力学问题等。

在电磁学中，可以使用拉格朗日方程来推导电磁场的变化规律，解决复杂电磁场的问题。

在天体力学中，拉格朗日方程可以用来计算行星、卫星和人造星的轨道运动。

总之，拉格朗日方程是分析力学中的一种重要工具，可以简洁明确地描述物体在力的作用下的运动规律。

它具有普适性和广泛的应用性，对于理解和解决物理问题有着重要的意义。

分析力学拉格朗日方程分析力学是物理学中的一个重要分支，它主要研究物体的运动规律和力学系统的宏观性质。

拉格朗日力学是分析力学的基础，是分析力学发展过程中的一个重要理论。

它由意大利数学家拉格朗日于18世纪发展而来，利用广义坐标和拉格朗日方程来描述物体的运动学和动力学。

在拉格朗日力学中，系统的运动由极值原理来决定。

这个极值原理是“达朗贝尔原理”，即系统的运动满足使作用量(S)是极值的路径。

作用量是拉格朗日力学中的一个重要概念，它表示物体在运动过程中所受到的所有力的作用。

具体来说，作用量可以表示为：S = ∫ (L - T) dt其中，L是拉格朗日函数，表示系统的动能和势能之差；T是系统的动能，表示物体的运动能量。

积分表示对整个运动过程的积分求和。

根据达朗贝尔原理，系统的运动满足作用量的极值条件，即δS=0。

为了使作用量的变分δS等于零，我们可以通过拉格朗日方程来推导系统的运动方程。

假设系统有n个自由度，我们引入广义坐标q1, q2, ..., qn来描述系统的位置。

每个广义坐标都是关于时间的函数，即q(t)。

拉格朗日函数L也是广义坐标的函数，即L(q, dq/dt, t)。

其中dq/dt表示广义坐标的时间导数。

利用拉格朗日函数，我们可以定义拉格朗日方程：d/dt (∂L/∂(dq/dt)) - ∂L/∂q = 0这个方程就是拉格朗日方程。

其中∂L/∂(dq/dt)表示拉格朗日函数对广义速度的偏导数，∂L/∂q表示拉格朗日函数对广义坐标的偏导数。

该方程描述了系统在广义坐标下的运动规律。

拉格朗日方程的推导过程是基于变分法和哈密顿原理的。

通过对作用量进行变分，我们可以得到极值的条件，即达朗贝尔原理。

然后利用这个极值条件，我们可以推导出拉格朗日方程。

拉格朗日方程在物理学中有着广泛的应用，不仅可以用来描述质点的运动，还可以用来描述刚体的运动、连续介质的运动、以及相对论力学等。

它提供了一种统一的描述物体运动的方法，同时也为我们研究物体的宏观性质提供了一个有力的工具。

第3章拉格朗日方程以动力学普遍方程为基础，拉格朗日导出了两种形式的动力学方程，分别称为第一类和第二类拉格朗日方程。

将达朗贝尔原理与虚位移原理相结合，建立起动力学普遍方程，避免了理想约束力的出现；再把普遍方程变为广义坐标形式，进一步转变为能量形式，导出了第二类拉格朗日方程，实现了用最少数目的方程描述动力系统；应用数学分析中的乘子法，采用直角坐标形式的普遍方程和约束方程而建立的一组动力学方程，是第一类拉格朗日方程，便于程式化处理约束动力系统问题。

拉格朗日方程是分析力学得以发展之源。

3.1 第二类拉格朗日方程第二类拉格朗日方程是分析力学中最重要的动力学方程，它给出动力学问题一个普遍、简单而又统一的解法。

拉格朗日方程只适用于完整约束的质点系。

3.1.1 几个关系式的推证为方便起见，在推导拉格朗日方程前，先推证几个关系式。

质点系由n个质点、s个完整的理想约束组成，它的自由度数为k＝3n–s，广义坐标数与自由度数相等。

该系统中，任一质点M i的矢径r i可表示成广义坐标q1，q2，…，q k和时间t的函数，即r i＝r i(q1，q2，…，q k，t)i＝1,2,…,n它的速度(3-1)i＝1,2,…,n式中称为h个广义坐标的广义速度，分别为广义坐标和时间的函数，与广义速度没有直接的关系。

式(3-1)对求偏导数，则有(3-2)这是推证的第一个关系式，它表明，任一质点的速度对广义速度的偏导数等于其矢径对广义坐标的偏导数。

为推证第二个关系式，将式(3-1)对广义坐标q j求偏导数，或(3-3)这是第二个关系式，它表明，任一质点的速度对广义坐标的偏导数等于其矢径对广义坐标的偏导数，再对时间的一阶导数。

再看看质点的动能对广义坐标的偏导数。

有(A)又式(3-2)、式(3-3)代入上式，并注意式(A)的关系，(3-4)3.1.2 第二类拉格朗日方程动力学普遍方程可以改写为(3-5)左侧的第一项主动力的虚功之和，可以用广义力Q h在广义虚位移q h上所做的功之和表示，即(3-6)值得指出，这里的主动力并非平衡问题中的主动力，因此，这里的广义力Q h不等于零。