Кіріспе
Механикадағы принцип. Механикада виртуалды жұмыс, механикалық жүйенің күштерін және қозғалысын зерттеу үшін ең аз әрекет принципін қолдану кезінде туындайды. Бөлшекке әсер ететін күштің жұмысы, оның ығысу бойымен қозғалуына байланысты, әртүрлі ығысулар үшін өзгеше болады. Бөлшектің орындауы мүмкін барлық ығысулардың ішінде, виртуалды ығысу деп аталатындардың бірі, әрекетті ең төменгі деңгейге дейін азайтады. Осылайша, бұл ығысу – бөлшектің ең аз әрекет принципіне сәйкес қозғалысы болып табылады. Күштің бөлшекке виртуалды ығысу бойымен жасаған жұмысы виртуалды жұмыс деп аталады. Тарихи тұрғыдан алғанда, виртуалды жұмыс және оған байланысты вариациялар есебі қатаң денелер жүйелерін талдау үшін жасалған, бірақ деформацияланатын денелердің механикасын зерттеу үшін де дамытылды.
the principle in mechanics
In mechanics, virtual work arises in the application of the principle of least action to the study of forces and movement of a mechanical system. The work of a force acting on a particle as it moves along a displacement is different for different displacements. Among all the possible displacements that a particle may follow, called virtual displacements, one will minimize the action. This displacement is therefore the displacement followed by the particle according to the principle of least action. The work of a force on a particle along a virtual displacement is known as the virtual work. Historically, virtual work and the associated calculus of variations were formulated to analyze systems of rigid bodies, but they have also been developed for the study of the mechanics of deformable bodies.
Тарих
Виртуалды жұмыс принципі ежелгі заманнан бері статиканы зерттеуде әр түрлі формада қолданылып келген. Оны гректер, ортағасырлық арабтар мен латындықтар, сондай-ақ Ренессанс дәуіріндегі итальяндықтар "тетік заңы" ретінде пайдаланған. 17 ғасырдың көптеген көрнекті физиктері, мысалы, Галилей, Декарт, Торричелли, Уоллис және Гюйгенс, статикадағы мәселелерді шешу кезінде виртуалды жұмыс идеясын әртүрлі деңгейде қолданды. 1768 жылы Лагранж жалпыланған координаттарды енгізу арқылы виртуалды жұмыс принципін тиімдірек түрінде ұсынды және оны тепе-теңдіктің барлық мәселелерін шеше алатын механиканың балама принципі ретінде қарастырды. Оның 1788 жылғы "Mécanique Analytique" еңбегінде Лагранжтың осы әдісті барлық механикаға – статикаға да, динамикаға да – жүйелі түрде қолдану бағдарламасы, негізінен Д’Аламбер принципі, толыққандай жазылған. Бұл көрсетіледі, бұл жалпыланған күштерді уақыт туындыларының қатынасы арқылы да тұжырымдауға болады. Яғни, виртуалды жұмыс принципі жүйеге Fi күштері мен Mj моменттері әрекет еткен кезде жасалатын виртуалды жұмыстың, егер жүйе тепе-теңдікте болса, нөлге тең болуын талап етеді. Сондықтан, жалпыланған Qk күштерінің мәні нөлге тең, яғни
The principle of virtual work requires that the virtual work done on a system by the forces Fi and moments Mj vanishes if it is in equilibrium. Therefore, the generalized forces Qk are zero, that is
Қатты денелер үшін динамикалық тепе-теңдік
Егер қолданған күштердің виртуалды жұмыс принципі қатты дененің жеке бөлшектеріне қолданылса, принципті қатты дене үшін жалпылауға болады: Тепе-теңдікте тұрған қатты дене виртуалды үйлесімді орын ауыстыруларға ұшыраса, барлық сыртқы күштердің жалпы виртуалды жұмысы нөлге тең болады; және керісінше, егер қатты денеге әсер ететін барлық сыртқы күштердің жалпы виртуалды жұмысы нөл болса, онда дене тепе-теңдікте болады. Егер жүйе статикалық тепе-теңдікте болмаса, Д’Аламбер Ньютон заңдарының үдеу шарттарын инерция күштері ретінде енгізу арқылы бұл тәсілді динамикалық тепе-теңдікті анықтау үшін жалпылады. Нәтижесінде Д’Аламбердің виртуалды жұмыс принципі пайда болады, ол қатты денелердің механикалық жүйесі үшін қозғалыс теңдеулерін шығару үшін қолданылады. Үйлесімді орын ауыстырулар дегеніміз, бөлшектер байланыста қалып, бірге орын ауысады, соның салдарынан бөлшектер арасындағы әрекет және реакция күштері атқаратын жұмыс өшіріледі. Бұл принциптің әртүрлі формалары Иоганн (Жан) Бернуллиге (1667–1748) және Даниэль Бернуллиге (1700–1782) жатқызылады.
Баламалы нысандар
Виртуалды күштер принципінің бір саласы – бірлік манекенді күштер әдісі, ол құрылымдық жүйелердегі ығысуларды есептеу үшін өте тиімді. Д’Аламбер принципіне сәйкес, инерциялық күштерді қосымша дене күштері ретінде қосу динамикалық жүйелерге қолданылатын виртуалды жұмыс теңдеуін береді. Келесідей кеңейтілген принциптерді алуға болады: барлық шамалардың өзгеруіне мүмкіндік беру; Лагранж көбейткіштерін пайдалану арқылы шекаралық шарттарды белгілеу және/немесе екі күйде көрсетілген шарттарды жеңілдету. Бұл туралы кейбір сілтемелерде сипатталған. Құрылымдық механикадағы көптеген энергия принциптерінің ішінде виртуалды жұмыс принципі, құрылымдық талдау, қатты дене механикасы және құрылымдық механикадағы шекті элементтер әдісіндегі қуатты қолданылуларға алып келетін жалпылығына байланысты ерекше орынға ие.
allowing variations of all quantities. using Lagrange multipliers to impose boundary conditions and/or to relax the conditions specified in the two states. These are described in some of the references. Among the many energy principles in structural mechanics, the virtual work principle deserves a special place due to its generality that leads to powerful applications in structural analysis, solid mechanics, and finite element method in structural mechanics.