广义坐标是不特定的坐标。假若用一组广义坐标来导引方程,所得到的答案,可以应用于较广泛的问题;并且,当最后终于设定这坐标时,答案仍旧是正确的[1]。拉格朗日力学,哈密顿力学都需要用到广义坐标来表示基要概念与方程。
独立的广义坐标
当分析有的问题时(尤其是当有许多约束条件的时候),最好尽量选择独立的广义坐标。因为,这样可以减少代表约束的变量。但是,当遇到非完整约束时,或者当计算约束力时,就必须使用关于这约束力的,相依的广义坐标。
在三维空间里,假设一个物理系统拥有 颗粒子;那么,这系统的自由度是 。再假设这系统有 个完整约束;那么,这系统的自由度变为 。必须用 个独立广义坐标 与时间 来完全描述这系统的运动。坐标的变换方程可以表示如下:
- 。
在处理复杂的系统时,这变换方程具有足够的灵活性来选择最合适的坐标。在思考虚位移与广义力时,这变换方程也可以用来建造微分。
实例
一个复摆,被约束地移动于一垂直平面,可以用四个直角坐标 来描述。但是,这系统的自由度是2;可以用两个广义坐标来更精简地描述这双摆运动:
- ;
这里,
- ,
- 。
一粒珠子,被约束地移动在一条穿过它的铁丝上,自由度是1。它的运动可以用一个广义坐标来描述
- ;
这里, 是珠子离铁丝上一个参考点的径长。这三维空间运动已被减缩为一维空间运动了。
一个物体,被约束在一个表面上,自由度是2;虽然它的运动也是嵌在三维空间里。如果这表面是球表面,一个很好的选择是
- ;
这里, 与 是球坐标系的角坐标。因为 坐标是常数,可以被忽略掉。
参阅
参考文献