朗道力学笔记 III
范围:第六章 刚体的运动
六、刚体的运动
1. 刚体的运动方程
刚体有六个自由度,因而有六个运动方程。
1.1 动量方程
对每一个质点都有 ,对刚体所有质点求和,得到:
其中 为刚体的总动量, 为刚体的总质量, 为刚体的质心速度。这里的 是总力,包括内力和外力。
下面给出了计算总力和的方法,相当于说明总力和等于外力和。对于每一个质点 ,其中 为各个质点在固定坐标系下的矢径。
记刚体的质心矢径为 ,若让刚体整体平移 ,势能改变量 。
为使上式对任意 均满足,得到
结合式(6.1)(6.2)即得到刚体的动量方程。
1.2 角动量方程
对每一个质点 。求和得到:
又因为 (两者平行)
把 用 表示
改写方程(6.3)
(6.4)说明刚体的转动可以在刚体质心系中研究。
同上,下面说明质心系内总力矩的算法,即总力矩=和外力距。逻辑上,在计算之前,还要说明两个问题。
刚体的所有固定质心的运动都可以看作是一次绕轴转动。这就是所谓的毛球定理。这可以用压缩映射原理去证明,通过四元数旋转函数也很好说明。
刚体的小角度转动是可以用一个角度矢量表征的。这是因为角度实在太小,矢径在转动过程中基本不变,有可加性。加的性质也与矢量加法相同。
让刚体绕固定坐标系原点转动角度 ,势能改变
同上,故有
结合式(6.3)(6.4)即得到刚体的动量方程。
2. 惯量张量
2.1 转动动能的惯量张量表示
刚体的总动能
将每个矢径写作刚体质心矢径与质心指向质点的矢径,即
于是刚体的动能被分为两部分,前者为平动动能,后者为转动动能(用 表示)。根据前面1.2中的两点数学理论,我们可以记
得到
记 。对于一个质点
这里的 为克罗内克符号。每个求和都是对三个分量求和。记张量
则有
求和得
其中 即为刚体的惯量张量,展开写为
显然 是一个实对称阵,可以酉对角化为
即选定合适的笛卡尔坐标系轴(这些轴被称为惯量主轴),可以得到如上的惯量张量。其中各分量被称为主转动惯量。
2.2 运动方程的惯量张量表示
按照式(6.4)中,考虑质心系中的角动量
运动方程也能写成
这也可以通过拉格朗日方程得到:
当角度很小时,可以以转动角度 为广义坐标
这就是(6.10)和(6.5)结合成的运动方程。
3. 欧拉角、欧拉方程
三个欧拉角如图 所示。其中 为 的交线。

下面用 表示角速度。 方向沿着 ,故沿 的投影分别为:
沿 方向,可分解为沿 方向分量;和垂直,且在 内(即在 内且垂直于 )分量。
沿 方向。综上有
令 分别为三个惯量主轴的方向,对应的主转动惯量分别为 。将(实验室)固定系的动量和角动量分别在 - 坐标系中表示,则有关系:
这里用 是想说明,如果考虑矢量本身,两者是相等的,但如果写成坐标形式两者是坐标变换对应的。或者也可以写成如下更加明晰的形式:
其中 。
又:注意这个改写中 的物理含义仍是在 - 中的。物理不换系,数学换系。
用 和 替换掉(6.12)中的 ,代入(6.1)和(6.10)中,写成分量的形式,有:
分量总共六条方程,此即为欧拉方程。
4. 刚体的接触
刚体之间的纯滚动,可能会形成非完全约束。这样的约束不能写成坐标满足的等式。
例如:球在平面上滚动。约束满足接触点的相对速度为零。如果这个约束能够写成坐标的等式,则对于固定的质心位置 只能有一部分(欧拉角的)位形能够满足。但显然一点上能够存在任意(欧拉角的)位形。
非完全约束的约束方程为:
其中 是关于坐标 的函数, 表示方程的编号。并且要求这些方程的不能写成某个函数对时间的全导数(否则积分后就变成完全约束了)。
为了解非完全约束的运动,回到最小作用量原理(1.2):
要在约束(6.14)下去极值。(6.14)两边乘上 得到
类似于普通的拉格朗日乘子法
此即为非完全约束的运动方程。