鄙人逍遥处士,初来贵宝地,今试为大家白话一番虚功原理,博方家一笑,敬请拍砖,多谢!
; v2 t' L% o( `3 i4 @# P' n* s 首先说两句断语,一是虚功原理其实就是能量守恒原理,二是静力学是不存在的,它不过是虚功原理的简化形式而已,这两句断语你琢磨下去就能明白,这里不深究。接着说刚体,什么是刚体?刚体是个假设的说法,就是既无变形,也不吸收和储存外力能的物体。不吸收和储存外力能,是楼主的说法,书上没这么说。有人说书上没说,你怎么就敢说?道理很简单,书上说刚体无变形,又说材料是因为变形才储存的能量,叫变形能。你把两句话联一起看,不就得出刚体不储存能量的结论了嘛。你若把这种将两句话联起来看的方法,用在学习其它一切知识上,包管你学啥啥成,举一反三,左右逢源,头头是道,触类旁通,披荆斩棘,所向披靡,以此制敌,无敌不摧,以此图功,无功不克……说这个虚位移,虚位移就是刚性质点或者刚体的小位移,它其实是数学上的无穷小位移,也可叫ε位移,或δ位移,或者从物理上叫原子位移。力学家怕数学名词太专业,人们不懂,就改名叫虚位移,这一来反而弄巧成拙,什么虚虚实实的,人们听起来更糊涂,还不如直接就用数学名词,这样矛盾就集中在一处,大家就好对着数学名词使劲攻打就行了。同一个数学名词,每个学科都给它取个不同的名称,弄的人们还以为有好多个名词,理解了这个还要理解那个,费力,还不如直捣根源的了当。但对初学力学的朋友,直接理解数学名词困难,对他们这种起步的情况来说,为了帮助理解,就叫原子位移,应该比虚位移更确切。那么同理,虚功也可以叫原子功。
9 V- {( i! J+ V- d- ]% v8 P9 ` 原子位移,顾名思义,就是没有比这更小的位移了,质点一动,位移最小就是这么多,不能再小了,只能是它的整数倍(说到这儿好像有点量子力学的味道了)。说到位移,就要引入一个新名词,叫“运动势”,这个是楼主自造的名词。因为结构上某个力的作用点,其运动势是不同的。运动势很好理解,就是势力,您跟您街上的警察局长,都是差不多的一个人,但势力就有天渊之别,为什么势力有天渊之别,因为出身有天渊之别,简单说就是爹不同,就这意思。每个点的原子位移都是不同的,有些点的原子位移,像碳原子那么大,有些点像铁原子的那么大,就是因为势力不同,运动势大的原子大,势小的原子小,简单吧。至于那些点的原子位移到底是多少,我们并不关心,我们关心的是它们之间的“比例”。
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. q. [% E* o3 V9 C @: ~6 v 举一个最简单的例子,一个圆盘如图,在半径100处的一点,和在半径200处的一点,前者的运动势小,后者的运动势大(离圆心越远爹越牛),前者的原子位移小,后者的原子位移大,在圆盘转动的时候,它们的位移,不管是大位移或者是原子位移这样的小位移,位移数值的比例都是R1*θ : R2*θ = 1 : 2,对吧?这个比例是我们最想知道的,至于它们到底转了多少角度,是一万度还是一万分之一度,原子位移是0.1mm还是0.000000000000000001mm,对我们来说都无关紧要,只要我们能得到这个比值就行了。得到比值还不是终极目地,终极目地是得到作用在这两个点上的力。如果这个圆盘圆心被固定,然后在这两个点上作用有如图两个力F1和F2的话,这个时候,有了这个原子位移的比值,我们就能根据能量守恒原理,列出一个方程式:F1δ1-F2δ2=0。大家看看,δ1和δ2的比值我们已经知道了,那么F1和F2的比值是不是就出来了?它俩之间的关系是不是就出来了?那么知道任何一个力的数值,另外一个的数值是不是就出来了?
. }0 M' S! Q3 x 分析到这里,有聪明的朋友就问了,说这明明就是能量守恒原理嘛,干嘛取个虚功原理的名字呢?原因是这样的。在我们举的这个例子中,圆盘的转动是恒常的,就是无论转多少度,那两个点的位移之比,都是一个常数,对这种情况,是用不上虚功原理的,用粗线条的能量守恒原理就能解决了。+ {# L- O( R' W1 {
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' b4 {) G9 c$ |2 L 但是对于这种情况,三角叉这种情况,在不同的角度下,两个作用点的原子位移之比却是不同的,在整个压下的过程中,两个力的比值是时刻在变化的,跟上面那个圆盘例子有根本的不同,这个时候,粗线条的能量守恒原理,也就是杠杆原理已经不能适用了,必须用精细化的能量守恒原理,也就是虚功原理来处理。其实虚功原理也没有什么神秘的地方,如果我们将粗线条的守恒原理与虚功原理对比,可以知道,如果将两种情况下力所做的功同样细分成多少份的话,二者都是可以细分的,不过在细分后的比例上,前者的比例是始终不变的,而后者的比例却是随时变化的,用函数语言来说,后者的比例y是角度θ的函数。其实前者的比例y也是θ的函数,虽然它并不随着θ的变化而变化,但也是函数,可以叫做常函数。为什么可以叫做函数呢?因为函数的定义是,对于每一个θ,都有一个唯一的y与其对应,我们看看是不是这样啊?是的,对每一个θ,y都有一个唯一的值跟它对应。所以说,它是严格符合函数定义的(这里请格外注意,大匠能与人规矩,不能与人巧,越是大匠越沉到底,沉到基础定义上来,而不是浮在表面)!函数定义里可没有要求y必须要变化,它要求的自始至终只有那两个字——“唯一”,一定要唯一,并且只要唯一就行了,变不变化随你便。有人就说了,那太阳的位置是不是我汽车位置的函数啊?是的,因为在每一刻,对应于你的汽车的位置,太阳的位置都是唯一的,所以它们是函数关系,只是这种函数关系看起来并没有多大作用而已,但也不是绝对。有人说,太阳位置是我汽车位置的函数,那还是我汗毛的函数呢,对应我的每根汗毛位置,太阳位置都是唯一的,您扯这些没用的虚词有意义吗?是的,太阳位置确实是您每根汗毛的函数,但其实它并不是无意义的,当需要这个意义的时候,它就能发出威力。比如说您是警察,根据您的汽车与太阳之间的位置关系,另外再知道您的汽车跟歹徒汽车之间的位置关系,可推算出太阳跟歹徒汽车的位置关系,那么就可推算出歹徒汽车的阴影形态,以及其它相关联的一切信息等等,进而采取行动。; X- N5 p& q# O4 l( D; H
话说回来,为什么说虚位移是无穷小位移,或者说是ε位移,或者δ位移呢?这得从虚位移的比值说起。这个比值,其实是当两个点的位移,从大到小取值,每取一个位移值时,都产生一个“比例数”,一直到取无穷小位移值时,也就是原子位移时,那个“比例数”所趋向的一个极限,就是我们真正想得到的数值,也就是我们的终极目标——虚位移之比!也可以叫无穷小位移之比,或者什么ε位移之比,δ位移之比,原子位移之比啦,随你喜欢。当我们领会了名词的意蕴后,名词本身就不重要啦。当我们到达了我们的终极目标,也就是虚位移之比的时候,我们就能求出作用力之比,进而求出各种力的数值。万千结构,只要是刚体结构,都可以这么干,代数表达式不好使,就用软件模拟,逐渐用越来越小的位移来逼近我们的终极目标——虚位移之比,誓要求出其极限。8 o# C1 E& _: o( X! \! O
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