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

26 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

12539. Кодирование данных в телекоммуникационных сетях 24.26 KB
  Домашнее задание №1 Кодирование данных в телекоммуникационных сетях 1. ВВЕДЕНИЕ1 2. ЭТАПЫ РАБОТЫ1 2.1. Формирование сообщения1 2.2. Физическое кодирование исходного сообщения2 2.3. Логическое избыточное кодирование исходного сообщения2 2.4. Скремблирование и...
12540. Методы цифрового кодирования в телекоммуникационных сетях 149.78 KB
  Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций Методы цифрового кодирования в телекоммуникационных сетях 1. Аналоговая модуляция1 2. Спектр модулированного сигнала1 3. Цифровое кодирование2 3.1. Требования к методам цифрового кодирования2 3.2. Потенциальный код без в
12541. Работа с программными средствами Internet. Утилиты ping и traceroute 22.64 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Работа с программными средствами Internet. Утилиты ping и traceroute 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование вероятностновременных характеристик сети с использованием утилиты ping исследование топологии фрагментов Internet с использованием утилиты traceroute. 2. ЗАДАНИЕ Н
12542. Работа с операционной системой Linux. Утилита netstat 23.83 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Работа с операционной системой Linux. Утилита netstat 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ С помощью утилиты netstat исследовать состояние локальной IPсети. 2. ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ 2.1. С помощью утилиты netstat получить список соединений открытых на сервере pds.sut.ru.
12543. РАБОТА С СЕТЕВЫМИ УТИЛИТАМИ И ПРОТОКОЛАМИ ПРИКЛАДНОГО УРОВНЯ 276.5 KB
  Работа с сетевыми утилитами и протоколами прикладного уровня Цель работы: освоить приемы работы с сервисными сетевыми утилитами прикладного уровня изучить команды основных утилит получить представление о методах работы с ними под управлением различных операционных ...
12544. Изучение адресации сети Интернет 149 KB
  Сети ЭВМ и ТК Лабораторная работа №1 Изучение адресации сети Интернет Цель работы: изучить адресацию сети Интернет Адресация сети Интернет В стеке протокола TCP/IP адресацию обеспечивает протокол IP. Согласно стандарту IP каждому хосту должно быть присвоено ун...
12545. Исследование протоколов IP-сетей 575.5 KB
  Лабораторная работа по курсу Вычислительные комплексы и сети Аппаратнопрограммные средства телекоммуникаций Исследование протоколов IPсетей Цель работы. Развитие практических навыков работы с протоколами стека ТСР/IP и исследование возможностей протоко...
12546. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 826.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ СОДЕРЖАНИЕ Цель работы 3 Теоретические сведения 4 Опис
12547. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 1.15 MB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО N СОДЕРЖАНИЕ Цель работы 3 Теоретические сведения 4 Описание лабораторного макета 36 Лабораторное задание 36 Порядок выпол...