約束 (經典力學)

在经典力学中,约束(constraint)是指对非自由质点(或系统)的空间位置和运动状态预先施加的几何限制或运动限制,亦即减少系统自由度的各种限制条件。

约束力(constraint force)是由于约束的存在而产生的,用以限制研究对象(隔离体)沿某些方向运动的力。约束力的大小和方向取决于主动力(active force);如果没有主动力去尝试改变物体的运动状态,约束力通常不存在或保持静止状态。约束反力(constraint reaction,constraint reaction force)即约束力,只是强调与“隔离体运动趋势”的方向相反,或侧重与“被限制的运动方向”相反。

通论
在經典力學裏,物體的運動必須遵守牛頓運動定律。除此以外,每一個物理系統時常會有一些“約束”,物體的運動也必須遵守這些約束。例如,簡單擺系統的約束是擺繩的長度是常數,擺錘與支撐點的距離必須是這長度。除非水瓶破了,一個封閉的水瓶裏的水分子,絕對不能運動到水瓶的外面。這些約束使物理系統的特性呈現出來。要分析一個物理系統,必須了解這系統裏的約束。

因為約束的作用,在分析物體的運動上,會遇到一些新的困難:
*許多描述物體運動的位置不再互相獨立。如果這約束是,可以用廣義坐標來除去一些相關的位置。如果整個系統是完整系統,可以用獨立的廣義坐標來表示這個系統的運動。通常,可以找到相關的形式論來分析這個系統的運動。
*假若一個物體的運動因為約束而改變,則必定有一個關於這約束的力作用於這物體上;不然,這物體的運動不會改變。稱此力為約束力。一般而言,事先並不知道約束力的值量。如果能將一個系統所有的廣義坐標都轉換成互不相關的廣義坐標,那麼,不需要知道約束力,就可以求得物體的運動方程式了。

類型

  • 約束可以分類為完整約束及非完整約束。完整約束可用方程式表示為:

:: f(\mathbf{r}_1,\ \mathbf{r}_2,\ \mathbf{r}_3,\ \dots,\ \mathbf{r}_N,\ t)=0
即任意时刻粒子位置符合对应时刻的确定几 何关系。
:其中f\,\!為每一粒子P_i 之位置\mathbf{r}_i\,\!和時間 t\,\! 之函數。

:若一約束不能夠通过积分或其他变换表示为上述形式,則稱此約束為非完整約束。

  • 約束又可分為定常約束(也称为“稳定约束”)、非定常約束兩種類型:定常約束的方程式顯性不含時間;若約束方程式顯性含時間,則稱此約束為非定常約束。
  • 在分析力学中,还有理想约束和非理想约束的概念。理想约束指物体在这些约束力的作用下虚功为零。这时可以较方便地利用虚功原理对平衡体系进行力学分析。

參閱
*拉格朗日力學
*哈密頓力學
*達朗貝爾原理
*普法夫約束

注释与參考文獻

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