虚位移原理
虚位移原理的定义
虚位移原理的定义虚位移原理是力学中的一个重要概念，用于描述刚体在平衡状态下受到外力作用时的力学特性。
在物理学中，虚位移原理是一个基本原理，能够帮助我们解决各种力学问题。
虚位移原理的基本概念是，当一个刚体在平衡状态下受到外力作用时，其位移满足虚位移原理。
虚位移是指刚体在平衡状态下的微小位移，它不改变刚体的形状和结构，只是在力学分析中假设的一个方便的概念。
虚位移原理的基本内容是：在平衡状态下，刚体受到的合外力对刚体所作的虚功为零。
虚功是指外力对虚位移所作的功，它是一个力和位移的乘积。
根据虚位移原理，当刚体处于平衡状态时，外力对刚体所作的虚功必须为零。
这意味着，在平衡状态下，刚体受到的合外力的作用线必须通过刚体的重心，否则会产生虚功。
虚位移原理的应用非常广泛。
在静力学中，我们可以利用虚位移原理来求解平衡问题，如悬臂梁的受力分析、杆件的静力平衡等。
在动力学中，虚位移原理也可以用来分析刚体的运动，如刚体的平衡和运动学问题等。
虚位移原理的定义为：在平衡状态下，刚体受到的合外力对刚体所作的虚功为零。
这个定义可以帮助我们理解虚位移原理的基本概念和应用。
通过虚位移原理，我们可以简化力学问题的分析，得到更加简洁和准确的结果。
虚位移原理在力学中有着重要的地位，它是力学分析的基础。
虚位移原理的应用不仅仅局限于静力学和动力学，在其他物理学和工程学的领域也有着广泛的应用。
通过理解和掌握虚位移原理，我们可以更好地理解和解决各种力学问题，为实际工程和科学研究提供有力的支持。
虚位移原理是力学中的一个重要概念，用于描述刚体在平衡状态下受到外力作用时的力学特性。
它的定义是，在平衡状态下，刚体受到的合外力对刚体所作的虚功为零。
虚位移原理的应用广泛，可以帮助我们解决各种力学问题，为实际工程和科学研究提供有力的支持。
对于学习力学的人来说，掌握虚位移原理是非常重要的，它可以帮助我们更好地理解和应用力学知识，提高问题解决能力。
虚位移与虚位移原理
虚位移与虚位移原理虚位移与虚位移原理2010-04-22 10：528.2.1虚位移为了便于理解虚位移的概念，现把虚位移和实位移进行对比阐述。
1实位移--位置函数的微分实位移是质点系在微小的时间间隔内实际发生的位移，可用位置函数的微分表示。
设由n个质点组成的完整约束系统，其自由度为k，选取一组广义坐标，则每个点的位置可用其位置矢径表示。
满足该质点系的约束方程，取其微分(8-4)式(8-4)中，是满足约束条件的增量，是系统受不平衡力系作用而实际发生的微小位移，由动力学方程和运动初始条件确定。
由上式得到的不但是约束许可的，而且其大小和方向还满足运动的初始条件，并有一组惟一的值，称为质点系的一组实位移，而称为质点系的一组广义实位移。
2虚位移--位置函数的变分虚位移是质点系在某瞬时发生的一切为约束允许的微小位移，可用位置函数的变分表示。
(8-5)与实位移不同，虚位移是约束许可的，与主动力和运动初始条件无关的，不需要经历时间的假想微小位移。
在某一时刻，质点的虚位移可以有多个。
系统静平衡时，实位移不可能发生，而虚位移则只要约束允许即可发生。
是质点系的一组虚位移，而称为质点系的一组广义虚位移。
在定常约束下，实位移一定是虚位移中的一个。
如图8.6所示单摆，虚位移可为和，而实位移仅为其一。
但在非定常约束下，实位移一般不可能是虚位移中的一个，如图8.2中所示小球，其实位移中，摆长随时间变化，而虚位移是在固定时刻，摆长不变时的位移，二者显然不同。
思考8-3①试画出思考8-1图(a)中质点B以及图(b)中套筒D的实位移和虚位移。
②试画出图8.5中双摆的虚位移。
3虚位移的计算计算质点系中各点的虚位移以及确定这些虚位移之间的关系涉及质点系的位形变化，内容十分广泛。
这里主要针对定常完整约束的刚体系统，介绍通常采用的几何法与解析法。
例8.1试确定图所示曲柄连杆机构中，A，B两点虚位移之间的关系。
解①几何法。
此处可用求实位移的方法来确定各点虚位移之间的关系。
理论力学教学材料-10虚位移原理
弹性力学中的虚位移分析
05
CHAPTER
虚位移原理的扩展与深化
广义虚位移原理
在经典力学中，虚位移是指在平衡状态下，系统内部各质点间的相对位移。广义虚位移原理则将这一概念扩展到整个力学系统，包括外部作用力、约束条件和能量变化等因素。
广义虚位移的求解方法
通过构建广义坐标和广义速度，将问题转化为求解广义动能的变分问题，进而得到系统的平衡条件和运动方程。
理论力学教学材料-10虚位移原理
目录
虚位移原理概述 虚位移原理的基本理论 虚位移原理的推论与结论 虚位移原理的实例分析 虚位移原理的扩展与深化
01
CHAPTER
虚位移原理概述
定义与概念
虚位移原理
在不受外力的情况下，系统的总虚位移为零。
虚位移
系统内各质点在虚设的外力作用下所发生的位移。
虚功
虚位移与实位移的区别与联系
静力学问题
虚位移原理可以用于解决静力学问题，例如求约束反力、分析刚体的平衡等。通过引入虚位移和虚力，可以将静力学问题转化为求解代数方程的问题。
动力学问题
在动力学问题中，虚位移原理可以用于分析系统的运动状态和受力情况。通过引入虚位移和虚力，可以将动力学问题转化为求解微分方程或积分方程的问题。此外，虚位移原理还可以用于求解约束系统的振动问题、稳定性问题等。
虚位移原理在动力学中的应用
04
CHAPTER
虚位移原理的实例分析
单个刚体的虚位移分析
总结词
在单个刚体的虚位移分析中，我们关注刚体的位置变化和力的作用。
详细描述
首先，我们需要确定刚体的初始位置和最终位置，然后分析在力的作用下刚体的位移变化。这个过程需要考虑到刚体的转动和移动，以及力和位移之间的关系。
第十四章 虚位移原理
xi δxi xi q1 δq1 ,q2 δq2 , ......,qk δqk
利用多元函数的台劳级数展开，并略去二阶以上的微量，
则有：
xi δxi
xq1 ,q2 ,.....,
qk
xi q1
δq1
xi δq2
......
xi δqk
δqk
xi
δxi
xq1 ,q2 ,.....,
约束与约束方程,自由度与广义坐标
1 约束
在静力学中，曾经将限制某物体运动的其它物体称为 约束，约束对被约束物体的作用表现为约束反力。
现在从运动学的观点来看约束的作用，给约束下一广义 的定义：
如一非自由质点系的位置和速度受到某些预定条件的 限制，这种限制条件称为约束。
y 例如，车轮限制在直线轨迹上作无滑动
由此可见，刚体平衡必要充分条件对一般的非自由质点系 统来说就不是充分的。因此，不能只依靠刚体平衡必要充分条 件去解决非自由质点系的平衡问题。
本章介绍虚位移原理，又称为分析静力学。 虚位移原理是非自由质点系平衡的一般规律，它给出了任 一非作自由质点系平衡的必要与充分条件，是解答平衡问题 的最一般的原理。 刚体在力的作用下不变形，在刚体静力学中仅从作用于刚 体上的力系的简化结果就可得出刚体的平衡条件。 由于非自由质点系中各质点间的相对位置可以改变，并且 相对位置的改变又因约束的存在而受到某些限制，问题较为复 杂。必须首先研究约束对质点运动的影响，以及质点系中各质 点所可能发生的位移等。
2 A
yA
2
xB xA
l12 2 yB
yA
2
l22
o
φ 1
L1 A(xA,yA )
L2
约束为完整约束，所以在
理论力学-虚位移原理
第六章 虚位移原理
§6-3 虚位移·自由度
虚位移
虚位移与实位移的区别：
●与实际发生的微小位移（简称实位移）不同，虚位移是纯 粹几何概念，是假想位移，只是用来反映约束在给定瞬时的 性质。它与质点系是否实际发生运动无关，不涉及运动时间、 主动力和运动初始条件。
●虚位移仅与约束条件有关，在不破坏约束情况下，具有任 意性。而实位移是在一定时间内真正实现的位移，具有确定 的方向，它除了与约束条件有关外，还与时间、主动力以及 运动的初始条件有关。
按照约束对质点系运动限制的不同情况，可将约束分类如下：
1.完整约束和非完整约束
其约束方程的一般形式为
fj( x 1 ,y 1 ,z 1 ;..x n , .y n ;,z n ;x 1 ,y 1 ,z 1 ,..x n. ,y n ;,zn;t)0 (j1,2,...s,)
式中n为系统中质点的个数，s为约束方程的数目。
第六章 虚位移原理
§6-1 概 述
虚位移原理是质点系静力学的普遍原理，它将 给出任意质点系平衡的充要条件，这和刚体静力学 的平衡条件不同，在那里给出的刚体平衡的充要条 件，对于任意质点系的平衡来说只是必要的，但并 不是充分的（参阅刚化原理）。
第六章 虚位移原理
§6-1 概 述
非自由质点系的平衡，可以理解为主动力通过约束的 平衡。约束的作用在于：
fj(x 1 ,y 1 ,z 1 ;.x .n ,.y n ;,z n ;t) 0 (j1,2,..s.),
第六章 虚位移原理
§6-2 约束和约束方程
1. 完整约束和非完整约束
y
A
完整约束
约束方程：
x
yA r
虚位移原理的定义
虚位移原理的定义
在物体的运动中，位移可以由许多因素引起，如外力、惯性、重力等。
虚位移原理的主要思想是将这些因素分离开，然后通过分析每个因素对位
移的贡献，来求解物体的运动方程。
1.确定系统的运动状态：首先，要明确系统的物体以及外部力的情况。
这些可以通过建立物体的坐标系和分析作用力得到。
2.定义虚位移：在给定的运动状态下，假设系统从位置A变化到位置B。
定义系统的虚位移为一个无限小的变化，并使其满足运动约束条件。
这个虚位移可以用一个一般的位移矢量δr来表示。
3.计算虚功：通过分析作用在系统上的外部力，计算出每个力对系统
虚位移的贡献。
这个贡献即代表了力对系统产生的虚功。
4.计算虚力：将虚功除以虚位移，得到一个常数，即为虚力。
这个虚
力与系统的其他因素（如惯性、重力）无关，只与外部力有关。
此外，虚位移原理还可以用于解决静力学、动力学和弹性力学等领域
的问题。
在静力学中，可以通过虚位移原理推导出平衡条件；在动力学中，可以用来分析系统的运动方程；在弹性力学中，可以通过虚位移原理推导
出材料的应力应变关系。
总之，虚位移原理是理论力学中一个十分重要的原理，它具有普遍性
和广泛应用性。
通过应用虚位移原理，我们可以更加简洁和有效地描述和
解决各种力学问题。
虚位移原理
1 1 3 2 Q Q M 0 2 2 4 l
FA 850 N
P
Q
Q
M
rE
A B C D
若求 E处支座反力, 则 系统的虚位移分析如 图示.
FE
l 4
E
q=400N/m , P = 200N .
M = 200 m.N . l = 8m
l 8
l 8
l 8
l 8
l 8
第十五章 虚位移原理
虚位移的英文名词是 virtual displacement . 意 思是‘ 可能的位移’. 不管是‘ 虚’ 也好, 还 是‘ 可能 ’ 也好, 它的力学含义是: 仅为约束 条件所允许的位移.
引言
质点被约束在某一平面上, 其 上有力的作用.
显然, 在此平面上有无限多为 约束所允许的 位移.
FBx B F1'yC F1yG FyG 0
式中 F1 = F1'= kδ0
2 FB l sin k 0 l cos 3k 0 l cos 3 Fl cos 0 FB 3 Fctg k 0 ctg 2
F1
y
在图示坐标下 E
D
F1'
k
yG 3l sin yC l sin x B 2 l cos
ix
·C A θ θ B
( F
FB
x
x i Fiy yi ) 0
yG 3l cos yC l cos x B 2l sin
f ( xi , yi , zi ) 0 或
f ( x, y, z ) 0
2. 虚位移
定义: 在给定瞬时, 质点系在约束条件允许下所能实现的任意假想 的无限小的位移.
理论力学 第11章 虚位移原理
由rA的任意性，得 PQ tg
16
2、解析法 由于系统为单自由度，
可取为广义坐标。
xB lcos , yA lsin xB lsin , yA lcos
Py A QxB 0 ,
(Pcos Qsin )l 0
P1yC P2yD FxB 0 (a) 而 yC acos , yC asin
yD 2acos bcos , yD 2asin bsin xB 2asin 2bsin , xB 2acos 2bcos
代入(a)式，得： (P1a sin P2 2a sin F 2a cos) (P2bsin F 2b cos ) 0
M
Fh
sin 2
2用虚速度法:
ve
OB
h
sin
,
va
vC
h sin 2
代入到
M FvC
0,
M
Fh
sin2
3用建立坐标,取变分的方法,有
M F xC 0
xC h cot BC
xC
h sin 2
解得
M Fh
sin 2
6
(二) 解析法。质点系中各质点的坐标可表示为广义坐标的函数
（ q1,q2,……,qk），广义坐标分别有变分q1,q2 , ,qk ，各
质点的虚位移ri 在直角坐标上的投影可以表示为
xi
xi q1
q1
xi q2
q2
xi qk
qk
yi
yi q1
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任一电荷在静电场中都具有势能,这一势能称为静电势能,简称
电势能。用公式表示为
。即一个电荷在电场中某点的电势
能等于它的电量与电场中该点的电势的乘积。应该指出，一个电荷
在外场中的电势能是属于该电荷与产生电场的电荷系所共有的，是 一种相互作用能，即互势能。所以严格说来，称某个电荷具有多少
电势能是没有意义的，它是一种互势能。
2.电荷系的静电能
设 个静止的点电荷组成一个电荷系。把各带电点电荷从 无限远分离的状态聚集到现在位置时，外力克服电场力所做的功，
定义为电荷系现在状态的静电能（静电势能），也称为相互作用势 能，简称互势能。下面以两个点电荷的相互作用能为例，推导点电 荷系的互能公式。
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解： 方法一，利用
计算
根据高斯定理求得电场强度
故
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10
方法二：利用
计算
先求出电位分布
故
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11
3.1.5 静电力 已知带电体的电荷分布，原则上，根据库仑定律可以计算带电
体电荷之间的电场力。但对于电荷分布复杂的带电系统，根据库 仑定律计算电场力往往是非常困难的，因此通常采用虚位移法来 计算静电力。
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1
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2
• 静态电磁场：场量不随时间变化，包括： 静电场、恒定电场和恒定磁场
• 时变情况下，电场和磁场相互关联，构成统一的电磁场
• 静态情况下，电场和磁场由各自的源激发，且相互独立
本章内容
3.1 静电场分析 3.2 导电媒质中的恒定电场分析 3.3 恒定磁场分析 3.4 静态场的边值问题及解的惟一性定理 3.5 镜像法 3.6 分离变量法
虚位移法：假设第i个带电导体在电场力Fi的作用下发生位移 dgi，则电场力做功dA＝Fidgi，系统的静电能量改变为dWe。根据 能量守恒定律，该系统的功能关系为
其中dWS是与各带电体相连接的外电源所提供的能量。
具体计算中，可假定各带电导体的电位不变，或假定各带电
导体的电荷不变。
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由
可求得介质片受到的静电力为
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由于ε>ε0，所以介质片所
受到的力有将其拉 进电容器的趋势
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此题也可用式
来计算 q不变
设极板上保持总电荷q不变，则
由此可得 由于 同样得到
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例3.1.8 有一平行金属板电容器，
l
极板面积为l×b，板间距离为d，用一块
介质片（宽度为b、厚度为d，介电常数
U0
为ε）部分填充在两极板之间，如图所示。 设极板间外加电压为U0，忽略边缘效应，
x
d b
求介质片所受的静电力。
部分填充介质的平行板电容器
解 平行板电容器的电容为
所以电容器内的电场能量为
4.电场能量密度
静电场最基本的性质是对静止电荷有作用力，一个静电荷对 另一个静电荷具有作用力，实际上是通过静电场这个媒介来实现的。
这表明静电场具有能量，能量存在于整个电场空间。下面导出用电 场强度矢量表示的计算电场能量的公式，从而说明电荷系之间的互 势能、带电体之间的互势能都等于其间存在电场的区域所具有的电 场能。
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8
推证：
由于体积V外的电荷密度ρ＝0，若将上 式中的积分区域扩大到整个场空间，结 果仍然成立。只要电荷分布在有限区域 内，当闭合面S无限扩大时，则有
S ρ＝0
R
ρ
故
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例3.1.7 半径为a 的球形空间内均匀分布有电荷体密度为ρ的电 荷，试求静电场能量。
根据点电荷系的互能公式可得一个带电体的静电自能可由下式计算。
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由于电荷元 为无限小，所以上式积分号内的 为带电体 上所有电荷在电荷元 所在处的电势。积分号下标 V 表示积分
范围遍及该带电体上所有存在电荷分布的区域。
如果电荷是以面密度 为:
的形式分布在曲面 S 上，则上式变
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12
1. 各带电导体的电位不变 此时，各带电导体应分别与外电压源连接，外电压源向系统
提供的能量
系统所改变的静电能量
即 2. 各带电导体的电荷不变
不变
此时，所有带电体都不和外电源相连接，则 dWS＝0，因此
q不变
式中的“－”号表示电场力做功是靠减少系统的静电能量来实现的。
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5
设两点电荷相距为 ，令 不动，而 从它所在的位置移 动到无限远时， 所受的电场力 做的功为
这说明当 和 相距 时，它们的相互作用能（互势能） 为
由于
表示 所在点由 所产生的电势，所以
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表示 所在点由 所产生的电势，所
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合并以上两式，可将
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3
3.1 静电场分析
学习内容 3.1.1 静电场的基本方程和边界条件 3.1.2 电位函数 3.1.3 导体系统的电容与部分电容 3.1.4 静电场的能量 3.1.5 静电力
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4
3.1.4 静电场的能量 1. 电荷在外电场中的静电势能
写成对称的形式：
同理可得 3 、4 、 … 、n 个点电荷系的互能为：
其中 为 所在处由 以外的其它电荷所产生的电势。
3.电荷体的静电能
如果只考虑一个电荷连续分布的带电体，它的静电能定义为：
设想把该带电体分割成无限多的电荷元，把所有电荷元从现有的集 合状态分散到彼此相距无限远处时，电场力所做的功叫做原来该带 电体的静电能。一个带电体的静电能有时也称自能（自势能）。因 此，一个带电体的静电自能就是组成它的各个电荷元间的静电互能。