虛功

在此特別列出幾個案例，展示出約束力所做的符合約束條件的虛功的總合是零：

• 剛體的約束條件是一種完整約束，以方程式表達，${\displaystyle (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})^{2}=L_{ij}^{2}}$；其中，剛體內部的質點${\displaystyle P_{i}}$、${\displaystyle P_{j}}$的位置分別為${\displaystyle \mathbf {r} _{i}}$、${\displaystyle \mathbf {r} _{j}}$，它們之間的距離${\displaystyle L_{ij}}$是個常數。所以，兩個質點的虛位移${\displaystyle \delta \mathbf {r} _{i}}$、${\displaystyle \delta \mathbf {r} _{j}}$之間的關係為

${\displaystyle \delta (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})^{2}=2(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})(\delta \mathbf {r} _{i}-\delta \mathbf {r} _{j})=0}$。

在這裏，有兩種可能的狀況：

1、${\displaystyle \delta \mathbf {r} _{i}=\delta \mathbf {r} _{j}}$：

對於這狀況，由於${\displaystyle \mathbf {C} _{ji}=-\mathbf {C} _{ij}}$，兩個作用力所做的虛功相互抵銷，也就是說，

${\displaystyle \mathbf {C} _{ij}\cdot \delta \mathbf {r} _{i}+\mathbf {C} _{ji}\cdot \delta \mathbf {r} _{j}=0}$，

所以，約束力所做的虛功的總合是零。

2、${\displaystyle (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})\perp (\delta \mathbf {r} _{i}-\delta \mathbf {r} _{j})}$ :

由於${\displaystyle \mathbf {C} _{ij}\ \|\ \mathbf {C} _{ji}\ \|\ (\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})}$，

${\displaystyle \mathbf {C} _{ij}\cdot \delta \mathbf {r} _{i}+\mathbf {C} _{ji}\cdot \delta \mathbf {r} _{j}=\mathbf {C} _{ij}\cdot \delta \mathbf {r} _{i}-\mathbf {C} _{ij}\cdot \delta \mathbf {r} _{j}=\mathbf {C} _{ij}\cdot (\delta \mathbf {r} _{i}-\delta \mathbf {r} _{j})=0}$。

所以，約束力所做的虛功的總合是零。

所以，在剛體內，質點與質點之間的約束力所作的虛功的總合是零。

• 思考置放於平滑地面上的一塊木塊。因為木塊的重量，而產生的反作用力，是地面施加於木塊的一種約束力。注意到對於這案例，符合約束條件的虛位移必須與地面平行，所以，地面施加的約束力垂直於虛位移，它所作的虛功等於零。[3]。

將一般的作用力和坐標分別變換為以廣義力${\displaystyle {\mathcal {F}}_{i}}$和廣義坐標${\displaystyle q_{i}}$表達，

${\displaystyle \delta W=\sum _{i}{\mathcal {F}}_{i}\delta q_{i}=0}$。

設定一個${\displaystyle N}$維位形空間，其坐標為${\displaystyle (q_{1},q_{2},\dots ,q_{N})}$，其內中表示位置的點稱為位形點。想像這物理系統移動於這位形空間。在這位形空間裏，廣義力${\displaystyle {\boldsymbol {\mathcal {F}}}=(F_{1},F_{2},\dots ,F_{N})}$垂直於符合約束條件的虛位移${\displaystyle \delta \mathbf {q} =(\delta q_{1},\delta q_{2},\dots ,\delta q_{N})}$。

假設，這物理系統沒有任何約束條件，則虛位移可以是任意向量。但是，廣義力${\displaystyle {\boldsymbol {\mathcal {F}}}}$不可能垂直於${\displaystyle N}$維位形空間裏的每一個向量，所以，廣義力${\displaystyle {\boldsymbol {\mathcal {F}}}}$必須等於零。

假設，這物理系統有${\displaystyle L}$個約束條件，則自由度為${\displaystyle N-L}$，位形點必需處於位形空間的某${\displaystyle N-L}$維子空間，而廣義力${\displaystyle {\boldsymbol {\mathcal {F}}}}$必須垂直於這子空間，因此必需使用${\displaystyle N-L}$個運動方程式來表達這物理系統。

假設這系統是保守系統，則每一個廣義力都是純量的廣義位勢函數${\displaystyle V(q_{1},q_{2},\dots ,q_{N})}$的對於其對應的廣義坐標的負偏導數：

${\displaystyle F_{i}=-{\frac {\partial V}{\partial q_{i}}}}$。

虛功與廣義位勢的關係為

${\displaystyle \delta W=\sum _{i}-{\frac {\partial V}{\partial q_{i}}}\delta q_{i}=-\delta V=0}$。

由於位勢的變分${\displaystyle \delta V}$等於零，一個靜態平衡系統的位勢${\displaystyle V}$乃是個局域平穩值。注意到這系統只處於平穩狀態。假設，要求這系統處於穩定狀態，則位勢${\displaystyle V}$必須是個局域極小值。