19004

Принцип наименьшего действия (принцип Гамильтона). Уравнения Лагранжа

Лекция

Физика

Лекция 2. Принцип наименьшего действия принцип Гамильтона. Уравнения Лагранжа Самая общая формулировка закона движения системы с степенями свободы дается принципом наименьшего действия или принципом Гамильтона. Согласно этому принципу каждая механическая сист

Русский

2013-07-11

1.15 MB

24 чел.

Лекция 2. Принцип наименьшего действия (принцип Гамильтона). Уравнения Лагранжа

Самая общая формулировка закона движения системы с  степенями свободы дается принципом наименьшего действия (или принципом Гамильтона). Согласно этому принципу, каждая механическая система полностью характеризуется своей функцией Лагранжа. Функция Лагранжа зависит от обобщенных координат , обобщенных скоростей  и времени :

             (1)

Для сокращения записи обычно пишут:

    (2)

Пусть в начальный и конечный моменты времени  и , положение всех точек системы характеризуются двумя наборами значений обобщенных координат:     и     ;     . Тогда интеграл по времени

      (3)

называется действием для данной механической системы.

Принцип наименьшего действия формулируется следующим образом: пусть известна функция Лагранжа  для данной системы. Тогда, между начальным  и конечным положениями, система будет двигаться таким образом, чтобы интеграл действия имел наименьшее значение:

    (4)

только те функции , которые удовлетворяют условию минимума действия и будут являться истинными "траекториями" движения. Из условия (4) можно получить уравнения для истинных траекторий движения всех точек между начальным и конечным положением системы. Эти уравнения называются уравнениями Лагранжа.

Получим эти уравнения. Для простоты рассмотрим систему с одной степенью свободы: . Пусть в моменты времени  и  система находилась в заданных положениях  и . Рассмотрим траекторию , «близкую» к  и проходящую через те же самые точки  и  

Функция  является «малой» добавкой к : . Понятно, что для начального и для конечного положения системы  (см. рисунок). Тогда, для новой обобщенной скорости  будем иметь

Условие экстремальности действия определяется равенством нулю его вариации:

    (5)

Это условие есть обобщение хорошо известного признака экстремальности функции : в тех точках, где функция  имеет минимум или максимум, её производная . Следовательно, равен нулю и её дифференциал:. Формула (5) фактически обобщает признак экстремальности функции для функционала, которым и является интеграл действия.

Вычислим эту вариацию . Учитывая, что при

,

запишем

Проинтегрируем второе слагаемое по частям и учтем, что :

Теперь условие экстремальности действия запишется так:

   (6)

Поскольку функция  - произвольная, то условие (6) может быть удовлетворено только в случае - когда выражение в его фигурных скобках обращается в ноль:

   (7)

Это и есть уравнение Лагранжа. для мех. системы с одной степенью свободы. Конкретный вид уравнения (7) зависит от конкретного вида ф. Лагранжа. О том, что собой представляет ф. Лагранжа речь пойдет ниже.

Поскольку уравнение Лагранжа (7) является дифференциальным уравнением второго порядка, его общее решение зависит от двух произвольных констант: . Чтобы определить эти константы необходимо задать два начальных условия:  и . Таким образом, для определения закона движения системы с одной степенью свободы необходимо решить задачу Коши:

 (8)

Если система имеет  степеней свободы ( ), то вариацию действия нужно осуществлять независимо по каждой обобщенной координате . В результате получим систему однотипных  уравнений с  начальными условиями:

          (9)

В компактном виде систему уравнений и начальных условий (9) обычно записывают так:

 (10)

Основные свойства функции Лагранжа:

1.  Функцию Лагранжа можно умножить на любое число. Уравнения Лагранжа (10) при этом не изменяются.

2.   Функция Лагранжа обладает важным свойством аддитивности.

Пусть система АВ состоит из двух подсистем: А и В. Её Функция Лагранжа  будет зависеть от обобщенных координат и скоростей всех частиц подсистемы А, т.е. от , и всех частиц подсистемы В, т.е. от . Предположим теперь, что подсистемы А и В начнут удаляться друг от друга на очень большое расстояние: (см. рисунок).

Понятно, что в этом случае движение точек в подсистемах А и В будет происходить независимо и никак не влиять друг на друга. Но это означает, что уравнения Лагранжа для системы АВ должны распасться на две независимые системы уравнений для подсистем А и В, соответственно:

и     

Для этого необходимо, чтобы

  (11)

3. Функция Лагранжа любой мех. системы определена неоднозначно, а с точностью до полной производной по времени от произвольной функции координат и времени.

Действительно, пусть , где  - произвольная функция. Запишем действие , используя ф. Лагранжа :

Следовательно

Величина, стоящая в фигурных скобках, есть некоторое число, которое исчезает при вариации действия. Поэтому  при любом виде функции , а уравнения Лагранжа будут иметь один и тот же вид независимо от того, какую функцию Лагранжа  или  мы выбираем.

3

q(1)

t2

2

1

q+g

  q(t)

t1

q

q(2)

A

B

AB

B

r AB  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72526. Искусственные обжиговые каменные материалы 2.09 MB
  Таким образом получают кирпич и другие керамические изделия из глины. Характеристика глины как сырья для керамики. Превращения глины при обжиге. Да и клинописные записи из которых почерпнуты сведения о Вавилонском кирпиче сделаны на пластинках из обожженной глины они были записаны...
72527. Портландцемент – главное строительное вяжущее 586.5 KB
  Из природных смесей известняка с глиной глины 25 и более или из искусственных производственных смесей того же состава можно получать уже достаточно водостойкие гидравлические вяжущие называемые цементами. Начало современному цементу было положено также англичанином...
72528. Вяжущие материалы. Теория неорганических (минеральных) вяжущих 280.5 KB
  Теория неорганических минеральных вяжущих В данной теме излагаются основные положения теории и основ технологии вяжущих. Различные группы вяжущих гипсовые известковые магнезиальные цементы будут изучаться в следующем семестре на лекции в курсе строительных материалов...
72529. Природные каменные материалы (ПКМ) 370.5 KB
  Добыча природного камня производится в карьерах. При промышленном карьере могут быть цехи по обработке камня дробильно-сортировочные установки. По виду выпускаемой продукции различают карьеры песчаные песчано-гравийные буто-щебеночные и карьеры штучного камня.
72530. Минеральные вяжущие вещества 53 KB
  Одним из первых вяжущих которым пользовался человек была необожженная глина. Для повышения водостойкости вяжущих еще древние римляне к воздушной извести добавляли вулканический пепел. Толчком для дальнейшего развития производства и применения вяжущих явилось изобретение...
72531. Сырье для производства строительных материалов. Природные каменные материалы 58 KB
  Сырьем для изготовления всех неорганических строительных материалов каменных и металлов являются горные породы. Основное сырье для органических материалов нефть и каменный уголь можно также отнести к горным породам.
72532. Периодизация становления и развития отечественного уголовно-исполнительного права 55.5 KB
  Регламентация исполнения наказаний периода Российской империи. Система наказаний и процесс их исполнения по Судебникам 1497 и 1550 гг. Особенностью исполнения наказаний призванной усилить их превентивное воздействие стал их публичнопозорящий характер. Наращивался объем устрашающих наказаний.
72533. ИСТОРИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ СЛОВА «МЕНЕДЖМЕНТ» 310 KB
  Трудно установить с предельной точностью, какова этимология термина «менеджмент». Однако истинное значение слова мы можем установить, выявляя его исторические корни. В античной Греции буквального аналога слову «менеджмент» не существовало.
72534. Программный интерфейс к файловой системе UNIX 70.42 KB
  Инициализация файла: трансляция имени файла в файловый дескриптор номер в таблице дескрипторов внутри процесса; Создание записи в системной файловой таблице которая содержит права доступа к файлу текущую позицию указателя в нем и другую информацию; эта таблица общая для всех процессов.