2、作用于刚体力系的功#
(1) 平移刚体上力的功#

设一刚体在力 F 作用下作平移,其质心在 C 点,刚体上点 A 的矢径是 r,速度是 v,则力 F 的元功为:
dW=F⋅dr=F⋅drC或者
dW=F⋅vdt=F⋅vCdt总功表达式为:
∑dW=∑(F⋅dr)=(∑F)⋅drC或者
∑dW=∑(F⋅vdt)=(∑F)⋅vCdt(2) 定轴转动刚体上外力的功#

设刚体绕定轴 z 转动,角速度 ω=ωk,刚体上点 A 的矢径是 r,速度是 v=ω×r。作用着力 F,当刚体有一微小转角 dφ 时,力 F 的元功为:
dW=F⋅dr=F⋅vdt=F⋅(ω×r)dt混合积表达式为:
F⋅(ω×r)=ω⋅(r×F)由静力学知,力 F 对点 O 的矩矢
MO(F)=r×F而力 F 对轴 z 的矩
Mz(F)等于 MO(F) 在轴 z 上的投影,即:
Mz(F)=MO(F)⋅k所以,混合积:
F⋅(ω×r)=ω⋅(r×F)=ωk⋅MO(F)=ωMz(F)因此有元功:
dW=Mz(F)ωdt=Mz(F)dφ总功为:
W=∫φ1φ2Mz(F)dφ即作用于定轴转动刚体上的力的功,等于该力对转轴的矩与刚体微小转角的乘积的积分。特别是,若力矩是常量,则力在上述过程中的总功为:
W=Mz(F)(φ1−φ2)(3) 平面运动刚体上力的功#

设一刚体在力 F 作用下作平面运动,其质心在 C 点,速度是 vC,刚体上点 A 的速度是 vA,则力 F 的元功表达式为:
dW=F⋅vAdt=F⋅(vC+vAC)dt其中 vAC 是 A 相对于质心 C 的速度。继续展开:
dW=F⋅vCdt+F⋅vACdt又因为 vCdt=drC,vAC=ω×r,所以
dW=F⋅drC+F⋅(ω×r)dtF⋅(ω×r)=MC(F)ω,其中 MC(F) 是力 F 关于质心 C 的矩在垂直于运动平面的分量,所以:
dW=F⋅drC+MC(F)dφ总功表达式即为:
∑dW=∑[F⋅drC+MC(F)dφ]即,作用于平面运动刚体上的力的功,等于该力在刚体随质心平动中的功与力对质心的矩在刚体转动中的功之和。力系可向刚体上任一点简化,都有类似结论成立。
(4) 质点系和刚体内力的功#

设质点系内有两质点 A1 和 A2,相互间作用着内力 F1 和 F2,且 F2=−F1。两质点的元位移分别是 dr1 和 dr2,故得内力 F1 和 F2 的元功之和:
∑dW=F1⋅dr1+F2⋅dr2由于 F2=−F1,代入得:
=F1⋅d(r1−r2)引入矢量 A2A1,设其单位矢量为 e,有:
A2A1=r1−r2F1=−F1e所以
F1⋅d(r1−r2)=F1⋅d(A2A1)设:
F1=−F1e由之前结论进一步推导:
F1⋅d(A2A1)=−F1e⋅d(A2A1⋅e)=−F1e⋅[d(A2A1)⋅e+A2A1⋅de]=−F1d(A2A1)(e⋅e)−F1(A2A1⋅e)de=−F1d(A2A1)−F1(A2A1⋅e)de其中,e为单位矢量,有:
e⋅de=21d(e⋅e)=21d(1)=0故上式中,第二项为零:
−F1(A2A1⋅e)de=0所以:
F1⋅d(A2A1)=−F1d(A2A1)因此,元功之和为:
∑dW=−F1d(A1A2)这里 d(A1A2) 代表两质点间距离 A2A1 的变化量,在一般质点系中,两质点间距离是可变的,因此,可变质点系内力所作功的总和不一定等于零。但是,刚体内任意两点间的距离始终保持不变,所以刚体内力所作功的总和恒等于零。
(5) 约束力的功之和等于零的情形#
- 光滑的固定支承面和活动支座 的约束力总是和它作用点的元位移 dr 垂直,所以这些约束力的功恒等于零。
- 由于柔绳仅在拉紧时才受力,而任何一段拉直的绳子就承受拉力来说,都和刚杆一样, 其内力的元功之和等于零。
- 光滑活动铰链内力元功之和等于零。
- 圆轮沿支承面纯滚动时,摩擦力(约束力)的功为零。