Při odvozování pohybového zákona, který využívá zobecněné souřadnice v konfiguračním prostoru, začneme nejjednodušším případem: pohybem jedné částice (jednoho hmotného bodu) o hmotnosti m po úsečce (viz obr. 29). Tento systém bude obecně popsán holonomními reonomními vazbami.
![]() |
Obr. 29 |
Trajektorii hmotného bodu tedy popíšeme obecně funkcí
![]() | (20) |
Místo vektorů, které používala při popisu pohybu hmotného bodu Newtonova mechanika, použijeme skalární fyzikální veličiny. Jednou z vhodných skalárních veličin je kinetická energie hmotného bodu, která je definována vztahem
![]() | (21) |
Vztah (21) lze přepsat ve tvaru . Uvědomíme-li si, že souřadnice popisující polohu hmotného bodu závisí na čase podle vztahu (20), můžeme kinetickou energii psát ve tvaru
![]() | (22) |
a pro další výpočty je důležité si uvědomit, že kinetická energie je závislá na čase. Nyní ovšem vyšetříme chování této funkce v určitém vybraném čase . Tento čas je ale vybrán libovolně, takže následující úvaha platí pro libovolný čas t. Přepíšeme vztah (22) přesněji:
![]() | (23) |
kde je okamžitá poloha hmotného bodu a
je okamžitá rychlost, kterou se hmotný bod v čase
pohybuje. Vztahem (23) jsme přešli od
k
, tj. od časové derivace zobecněné souřadnice k zobecněné rychlosti. Od této chvíle jsou tedy q a
nezávislé parametry.
Právě provedenou úvahu se „zastavením času“ si lze představit tak, že z pohybu, který natočíme na film, nás bude zajímat jen jedno políčko vyvolaného filmu. A bude to právě to políčko, které bylo zaznamenáno v čase .
Nyní určíme výrazy a
:
![]() | (24) |
a
![]() | (25) |
Pro jednoduchost jsme ve výrazech (24) a (25) nepsali argumenty u zadaných funkcí. Vztahy (24) a (25) jsou platné v každém časovém okamžiku, platí podél celé trajektorie, po níž se hmotný bod pohybuje. Proto nyní můžeme opět přejít k rovnicím, které závisí na čase. Symboly q a tedy opět změní svůj význam a vrátí se ke svým původním významům:
bude znamenat okamžitou polohu hmotného bodu v libovolném čase a
bude znamenat okamžitou rychlost hmotného bodu v libovolném čase.
To tedy znamená, že místo jednoho políčka filmu budeme opět sledovat celý promítaný film.
Vztah (24) tedy můžeme psát ve tvaru
![]() | (26) |
a vztah (25) ve tvaru
![]() | (27) |
Nyní vyčíslíme výraz a s využitím vztahů (26) a (27) získáme výraz
. Vzhledem k tomu, že platí
, dostáváme
![]() | (28) |
Na základě vztahu (28) je možné definovat tzv. zobecněnou sílu, která udává průmět síly působící na hmotný bod do směru zobecněné souřadnice.
Zobecněná síla je definována vztahem
![]() | (29) |
Zobecněná síla nemusí být silou v pravém slova smyslu. Pokud bude mít q význam vzdálenosti, pak a Q je přímo síla. Zobecněnou souřadnicí q ovšem může být i např. úhel nebo jiná fyzikální veličina. V tom případě je význam Q jiný (moment sil, …).
Nyní můžeme již formulovat Lagrageovu rovnici II. druhu.
Lagrangeova rovnice II. druhu, která popisuje pohyb jednoho hmotného bodu o hmotnosti po úsečce, se nazývá rovnice
![]() | (30) |
je kinetická energie hmotného bodu,
je zobecněná souřadnice a
je zobecněná rychlost.