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为了帮助部分同学更全面的理解虚位移原理,特地写了这篇文章。
首先我们要明白,虚位移原理是用于求解静力学问题的。绝大部分在理论力学的静力学部分出现的问题都可以使用虚位移原理求解,可以是很简单的,例如下图的问题。已知简支梁上有集中力和集中力偶,要求A,B点的反力。
可以是比较复杂的,例如下图的问题,已知集中力和分布力系,要求A,C,B点的约束力。
或者是更加复杂的,例如下图的问题,已知F,求B,C点的约束力。
或者更加更加复杂的,例如下图的问题,已知Q,要求多大的F才能使得机构平衡。
这些题目大家应该都很熟悉。前面三道题都是我们在上静力学部分时讲过的例题,而最后这道题则是我们在虚位移原理里面引入的一道比较复杂的问题。
既然虚位移原理也可以用于求解静力学问题,那么它与我们前面静力学里面的解题方法有什么区别呢?它们各有什么优缺点呢?
前面的静力学求解问题有一个很大的特点,就是可以取单根杆件为对象,或者一个局部为对象,或者一个整体为对象;而虚位移原理总是选取整体为对象。比如刚才说的这道题
对于它,虚位移原理总是选整体AD+DB为对象,而静力学方法则可以取AD为对象,或者DB为对象,或者整体为对象,很灵活。
由于虚位移原理只能取整体为对象,所以它只能求出整体与外界接触处的约束力,即A,C,B处的力。而不能求出D点的力。但是静力学方法因为可以取单个物体为对象,所以可以方便的求出D点的力。
有些同学就问了,既然静力学方法如此灵活,而且什么都可以解,为什么还需要虚位移原理呢?
的确,对于大部分简单问题而言,静力学方法就很足够,不需要什么虚位移原理。但是我们考察这道题,已知Q求F,用静力学方法就非常复杂。而用虚位移原理则很简单。
所以,什么时候用虚位移原理呢?
当一个结构很复杂,求结构整体的外力时,用虚位移原理最好。而对于简单的问题,例如前面的三道题,用静力学方法就很好。
此外,虚位移原理还有一个很大的好处,在于,不管我们要求哪一个未知数,它都是一个方程搞定,而不需要联立方程组。而静力学中要做到这点就极有难度,需要我们使用一系列技巧。但是虚位移原理则不需要任何技巧。它总是按部就班的列方程,求解,不需要静力学中那么复杂的技巧。
从这个方面来说,我们可以认为虚位移原理是诸如张飞这样的将才,越是复杂的环境,越能显示它的威力,而且在复杂的战场上,它要获取曹操的性命,也如探囊取物一般容易。但是静力学方法,只如同一名小卒,它在潮水一般的敌人中浴血奋战。比较傻的士兵只能碰到谁就挑战谁,与敌人进行一对一的肉搏;比较聪明的士兵则可以避开那些强大的对手,而专挑那些老弱病残下手。在打败这些敌人之后,就可以洋洋自得宣称自己以一敌十,剿灭了多少顽敌,而在同伴之中沽名钓誉。这种小卒,总体说来只有小智慧而已。
但这并不意味着我们轻视静力学的求解方法,实际上,我们自己也都是凡人,做一名小卒,也很快活。何况象结构中的那些内力,虚位移原理瞧不起,也解不出,只有静力学方法这种小卒可以敲掉,所以静力学也很重要。