周筑宝
动力学中的最小势能原理—— 瞬态最小势能原理
2020-5-5 18:11
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众所周知,现有力学理论中的最小势能原理只适用于静力学问题,在动力学中是没有最小势能原理的。但通过对下面一个简单动力学问题的分析,可以发现上述看似无懈可击的结论,也还有值得商榷之处。考查一个受重力作用的小球,在由一光滑斜面和一光滑平面组成的单面约束下滚动时的势能情况。

1.当小球在斜面上滚动时,它处于加速运动之中,并且边界条件(即小球与斜面接触点的高程)也处于变化之中,因此它的势能也处于变化之中。此时小球处于动能和势能都在变化的不稳定状态。

2.当小球滚到平面上以后,由于已设斜面和平面均为光滑面,因此小球将作匀速直线运动。并且由于其边界条件已保持恒定(即滚动中的小球与平面接触点的高程保持不变),所以其势能也保持不变。小球进入势能和动能均保持不变的稳定状态。

如果将考查的范围定为小球滚动的全过程,则显然只有当小球达到稳定状态(即滚到平面上)之后,它的势能才会达到最小值。这就是静力学中的最小势能原理。需要指出的是,上述最小势能原理中所说的“最小”,是指小球从斜面到平面滚动全过程中,单面约束(即斜面和平面)能够允许的所有可能势能值中的最小值。但是如果将考查范围定为小球在斜面上滚动的任意瞬时,则可发现虽然此时小球处于不稳定状态,其势能肯定比它达到稳定状态(即滚到平面)的势能要大,但它却取当时(即该瞬时)单面约束(即斜面)允许的所有可能势能值中的最小值(因为当时单面约束所能允许的其它位置的高程,都大于小球在斜面上当时所处位置的高程)。这表明,若把选取势能最小值的范围,从小球滚动的全过程缩小至小球滚动全过程中的任意瞬时,则不管在该瞬时系统(滚动小球)是否达到了稳定状态,其势能都一定是取当时所有可能值中的最小值。显然,以上结论可视为是适用于上述动力学过程中任意瞬时的“瞬态最小势能原理”。它与稳定态(即静力学)的最小势能原理的区别是:

  (1) “瞬态最小势能原理”对应的所谓当时的最小势能,要比稳定态最小势能原理对应的最小势能大(只有当小球滚到平面上之后它们才会相等)。

  (2) 稳定态最小势能原理对应的最小势能值所具有的稳定性,对瞬态最小势能原理而言,当小球在斜面上滚动时已不复存在。


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