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弹塑性波与结构动力学-第二章
X
x x (X,t)
表示法二:反过来只要运动是连续单值的,(2-1-1)式可反
演为
X X (x,t)
(2-1-2)
即X是x和t 的函数。
(2-1-1)式和(2-1-2)式是描述一维长杆中介质运动的两 种形式,二者是可是互换的。
在一维情况下,应用Lagrange方法,可将物理量Ψ表达 为质点X和时间t 的函数:Ψ = F (X , t )。自变量X即为 Lagrange坐标(物质坐标)。
相应地,研究杆的运动时,要先选定坐标系统,一般对 应有两种坐标系: Lagrange坐标(即物质坐标,随着介质流动来考察) Euler坐标(即空间坐标,固定空间位置来考察)。
Lagrange描述(方法): 随着介质中固定的质点来观察物质的运动,所研究的是
在给定的质点上各物理量随时间的变化,以及这些量由一个 质点转到其他质点时的变化,这种描述介质运动的方法称为 Lagrange描述(方法)。
t
x
f
x,t
t
x
(2-2-1)
物质微商(Lagrange微商或随体微商):随着给定的质点X 来观察物理量Ψ对时间t 的变化率,即
t
X
d
dt
F
(X t
,
t
)
X
(2-2-2)
t
X
d
dt
F
(X t
,
t
)
X
对于(2-2-2)式应用复合函数求微商的连锁法则,有
d
dt
x t
X
dx dt
d v
dt t x
(2-2-3) (2-2-4)
d v
dt t x
物理量Ψ为质点速度时,(2-2-4)式变为质点加
X
dv dt
v t
v v x
(2-2-5)
(2-2-4)式中,等式右边第一项通常称为局部变化率,显 然在定常场中该项为零;第二项称为迁移变化率,在均匀场 中该项为零。与此相对应,(2-2-5)式中,等式右边第一项通 常称为局部加速度,第二项称为迁移加速度。
为Euler坐标(或空间坐标)
以长杆中一维运动为例:
X
质点命名(质点在参考时刻的空间位置坐标):X 质点任一时刻t 在空间所占位置: x
质点X 物理含义:质点在参考时刻t0时在参考空间坐标系 中所占据的位置坐标。参考时刻可以取t0=0时刻,或其它适 当的时刻;参考空间坐标系可以与描述运动所用的空间坐标 系一致,也可以不同,选取原则取决于研究问题的方便性。
第二章 弹塑性波基本方程
▪ 2-1 物质坐标和空间坐标 ▪ 2-2 时间微商与波速 ▪ 2-3 物质坐标描述的杆中纵波控制方程 ▪ 2-4 特征线与特征线上的相容关系 ▪ 2-5 空间坐标描述的控制方程和特征线 ▪ 2-6 波阵面上的守恒方程
2-1 物质坐标和空间坐标
连续介质力学的基本出发点之一,是不从微观上考虑物 体的真实物质结构,而只是在宏观上把物体看成是连续不断 的质点所组成的系统,即把物体看成是质点的连续集合。每 个质点在空间上占有一定的空间位置,不同的质点在不同的 时间占有不同的空间位置。
作为其标记,不同的质点以不同的数(a,b,c)表示,这组 数(a,b,c)称为Lagrange坐标(或物质坐标、随体坐标 )。
Lagrange表示法:t=t0 时位置来表示,(a0 , b0 , c0 )
Euler坐标:
为了表示物体质点在不同时刻运动到空间的一个位置,以
一组固定于空间的坐标 q1, q2, q3 表示该位置,这组坐标称
(1)物质坐标系中描述的物理量 述的物理量
空间坐标系中描
由(2-1-2)、(2-1-3)式,有
f (x, t ) = F [X(x, t), t ]
(2)空间坐标系中描述的物理量
述的物理量 F(X ,t) f (x,t)
(2-1-4) 物质坐标系中描
由(2-1-1)、(2-1-3)式,有 F (X , t ) = f [x(X ,t), t ]
F
(X t
,
t
)
X
f
[
x( X t
,
t
),
t
]
X
f
[x( X ,t),t]] t
x
f
[x(X ,t),t] x
t
x t
X
x
f
( x, t ) t
x
f
( x, t ) x
t
x t
X
t X
质点X 空间位置对时间的物质微商,即质点X
的运动速度
v
构形:一个物体中各质点在一定时刻的相互位置的配置。
➢如何描述质点运动?
定义坐标系 (1)质点命名(为了区别不同的质点),如 Xi(a,b,c) (2)描述质点所占据的空间位置xi。i=1,一维;i=3,三维 (3)时间坐标t
在连续介质力学中,往往采用两种观点和方法来研究介 质的运动: Lagrange方法 Euler方法。
Euler描述(方法):
在固定的空间点上来观察物质的运动,所研究的是在给定 的空间点上以不同时间到达该点的不同质点的各物理量随时 间的变化,以及这些物理量从一个空间点转换到另一空间点 时的变化,这种描述介质运动的方法称为Euler描述(方法) 。
Lagrange坐标: 为了识别运动中物体的一个质点,以一组数(a,b,c)
(2-1-5)
x x (X,t)
2-2 时间微商与波速
三种微商: 空间微商(Euler微商) 物质微商(Lagrange微商或随体微商) 随波微商
两种波速: 空间波速(Euler波速) 物质波速(Lagrange波速)
空间微商(Euler微商):在给定空间位置x上,物理量Ψ对 时间t的变化率,即
X
表示法一:介质的运动可表示为质点X在不同的时间t占据不
同的空间位置x ,即x是X 和t 的函数
x x (X,t)
(2-1-1)
如果固定X,上式给出了质点X如何随时间运动;如果固 定t,上式给出了某时刻各质点所占据的空间位置。一般来说, 在给定时刻,一个质点只能占有一个空间位置,而一个空间 位置也只能有一个质点。
应用Euler方法,可将物理量Ψ表达为空间坐标x和时间t 的函数:Ψ = f (x, t )。自变量x即为Euler坐标(空间坐标)。
显然,对于同一物理量Ψ,有
Ψ = F (X , t ) = f (x, t )
(2-1-3)
X X (x,t)
F(X ,t) f (x,t)
描述同一物理量Ψ,既可以用物质坐标也可以用空间坐 标来进行描述,二者还可以进行转换。