19005

Принцип относительности Галилея. Функция Лагранжа свободной материальной точки. Функция Лагранжа системы взаимодействующих частиц. Функция Лагранжа в декартовых и обобщённых координатах

Лекция

Физика

Лекция 3. Принцип относительности Галилея. Функция Лагранжа свободной материальной точки. Функция Лагранжа системы взаимодействующих частиц. Функция Лагранжа в декартовых и обобщённых координатах Установим вид функции Лагранжа простейших механических систем и уста...

Русский

2013-07-11

275 KB

28 чел.

Лекция 3. Принцип относительности Галилея. Функция Лагранжа свободной материальной точки. Функция Лагранжа системы взаимодействующих частиц. Функция Лагранжа в декартовых и обобщённых координатах

Установим вид функции Лагранжа простейших механических систем и установим рецепт ее нахождения в тех или иных случаях. Для этого будем использовать ряд общих свойств пространства-времени, а также законы Ньютона так, чтобы в декартовых координатах уравнения Лагранжа переходили в законы Ньютона.

Принцип относительности Галилея

Для изучения механических явлений необходимо выбрать какую-то систему отсчета. В различных системах отсчета законы движения будут иметь, вообще говоря, различный вид. Если взять произвольную систему отсчета (например, вращающуюся), то законы даже совсем простых явлений будут выглядеть в ней весьма сложно. По отношению к произвольной системе отсчета пространство является неоднородным и неизотропным. Это значит, что для свободного тела, которое не взаимодействует с другими телами, его различные положения в пространстве и его различные ориентации будут не эквивалентны в механическом отношении. То же относится и ко времени, которое будет неоднородным, т.е. его различные моменты могут быть неэквивалентны. Например, во вращающейся системе координат, свободное тело не могло бы покоиться. если скорость тела в некоторый момент времени и была бы равна нулю, то уже в следующий момент времени тело начало бы двигаться (относительно этой системы отсчета) в некотором направлении. однако, как показывает опыт всегда можно найти такую систему отсчета, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время - однородным. Такая простейшая система отсчета называется инерциальной. В такой системе отсчета тело, покоящееся в некоторый момент времени , будет оставаться в покое неограниченно долго (эти утверждения, фактически, повторяют первый закон Ньютона).

Рассмотрим свободно движущуюся материальную точку в инерциальной системе отсчета. В силу однородности пространства и времени, функция Лагранжа такой точки не должна зависеть от величин  и . В силу изотропии пространства, она может зависеть только от величины скорости, но не от её направления, т.е. зависеть только от квадрата скорости . Поэтому, для свободной м.т. точки

    (1)

Свободная материальная точка имеет три степени свободы - . Выберем в качестве системы координат прямоугольную декартовую систему. Тогда , , . Система 3-х уравнений Лагранжа (см. конец предыдущей лекции) запишется так:

;       ;        (2)

Очень удобно использовать краткие символические обозначения, широко распространенные в физике:

Теперь с учетом этих определений систему 3-х уравнений можно записать в виде одного векторного уравнения:

    (3)

Поскольку в рассматриваемом случае , то уравнение Лагранжа (3) для свободной частицы будет выглядеть очень просто:

     (4)

Отсюда получаем, что . Используя символическое правило дифференцирования, запишем:

  (5)

Поскольку величина  - скалярная, то равенство (5) может быть выполнено только при условии, что

     (6)

Таким образом, в инерциальной системе отсчета движение свободного тела происходит с постоянной (по величине и по направлению) скоростью. Это утверждение составляет содержание закона инерции, т.е., фактически, первого закона Ньютона.

Если какая-то другая система отсчета движется относительно данной инерциальной системы равномерно и прямолинейно, то она то же является инерциальной. Таким образом, существует бесчисленное множество инерциальных систем отсчета.

Опыт показывает, что все инерциальные системы полностью эквивалентны. Это утверждение составляет содержание одного из важнейших принципов механики – принципа относительности Галилея: Во всех инерциальных системах отсчета свойства пространства и времени одинаковы; одинаковы и все законы механики. Это значит, что все физические законы в любых инерциальных системах одинаковы. По отношению к механике это означает, что вид уравнений движения не изменяются при переходе от одной инерциальной системы к другой. Все сказанное говорит об исключительности свойств инерциальных систем отсчета. Поэтому везде в дальнейшем, если не оговаривается особо, мы будем рассматривать только инерциальные системы отсчета.

Определим теперь вид функции Лагранжа для одной свободной частицы. Как показано выше, в этом случае . При этом уравнения движения во всех инерциальных отчетах должны иметь один и тот же вид.

Пусть система  движется относительно  с постоянной скоростью . Тогда функция Лагранжа  в системе  должна перейти в такую функцию  в системе , которая, если и отличается от функции , то лишь на полную производную какой-то функции координат и времени. Поскольку , то

     ,  т.е.     (7)

Учитывая это, сразу получаем, что для свободной частицы ф. Лагранжа должна быть пропорциональна квадрату скорости:

    (8)

Уравнение Лагранжа для свободной частицы теперь будет выглядеть так:

,     т.е.       

Сравнивая это с уравнением второго закона Ньютона для свободной частицы  , находим, что . Здесь  - инертная масса тела. Таким образом, окончательно получаем следующее выражение для функции Лагранжа одной свободной частицы:

    (9)

Отметим, что в этом пункте мы существенно воспользовались вторым законом Ньютона. Иначе мы не смогли бы понять, что есть .

Если механическая система состоит не из одной, а из  невзаимодействующих частиц, то в силу свойства аддитивности функции Лагранжа, получим

    (10)

Величина

     (11)

называется кинетической энергией - ой частицы.

Сумма кинетических энергий всех частиц есть полная кинетическая энергия системы:

    (12)

Таким образом, кинетическая энергия есть величина аддитивная.

Рассмотрим теперь систему  м.т., взаимодействующих только друг с другом, но ни с какими посторонними телами, не входящими в эту систему. Такая система называется замкнутой системой.

Оказывается, что в классической механике, когда скорости частиц малы по сравнению со скоростью света , взаимодействие между точками системы может быть описано прибавлением к функции Лагранжа невзаимодействующих точек, некоторой функции координат  . Конкретный вид этой функции зависит от характера взаимодействия между частицами. Величина  называется потенциальной энергией системы. С учетом сказанного, в самом общем виде, ф. Лагранжа для замкнутой системы из  м.т. в декартовой системе координат будет выглядеть так:

   (13)

Потенциальная энергия зависит от положения всех м.т.  в один и тот же момент времени . Это означает, что изменение положения хотя бы одной из них, мгновенно отражается на всех остальных. Следовательно, в классической механике считается, что взаимодействие между телами «распространяется» мгновенно, с бесконечно большой скоростью.

Зная функцию Лагранжа, можем записать систему уравнений Лагранжа в следующем символическом векторном виде:

,           (14)

Поскольку , а , то система уравнений (14) примет вид:

,       (15)

Вектор

   (16)

называется силой, действующей на -ю частицу, со стороны всех остальных частиц системы. Вместе с  сила зависит только от координат частиц, но не от их скоростей: . Теперь система уравнений Лагранжа запишется так:

    (17)

Таким образом, если в качестве обобщенных координат выбрать декартовы координаты, уравнения Лагранжа сводятся к системе уравнений второго закона Ньютона.

При решении большинства задач, оказывается удобным использовать не декартовы, а некоторые обобщенные координаты . В этом случае для написания функции. Лагранжа нужно произвести соответствующие преобразования. Прежде всего, нужно выразить все декартовы координаты точек через обобщенные координаты  :

.

Затем нужно выразить кинетическую энергию системы через выбранные обобщенные координаты. Т.к.

,

то

Обозначим

  (18)

Отсюда видно, что матрица  зависит только от обобщенных координат и является симметричной матрицей. Таким образом, в обобщенных координатах кинетическая энергия системы по-прежнему является квадратичной функцией скоростей, но может зависеть и от обобщенных координат:

.

Теперь функцию Лагранжа запишем в виде:

  (19)

Рассмотрим несколько простых примеров.

Запишем кинетическую энергию м.т.  в декартовых, цилиндрических и сферических координатах. При этом учтем, что независимо от выбора координат

    (20)

Здесь  - квадрат элемента дуги в соответствующих координатах.

1.  В декартовых координатах:

    (21)

2. В цилиндрических координатах:  - расстояние до оси ; - азимутальный угол в плоскости  .

.

.

Поэтому

    (22)

Величина  определяет быстроту удаления  или приближения  точки к оси . Величина  есть угловая скорость вращения частицы относительно оси . Знак величины  определяет направление вращения (если смотреть на плоскость  со стороны оси ) – против часовой стрелки - знак "плюс", а по часовой стрелке – знак "минус". Наконец, величина  определяет поступательную скорость движения относительно оси .

3. В сферических координатах: - расстояние до начала координат; - полярный угол; - азимутальный угол :

               ;

Поэтому

   (23)

6

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84859. Уявлення про слова, які виражають ознаки предметів 44 KB
  Ознайомити учнів з лексичним значенням слів, які відповідають на питання який?, яка?, які? Формувати вміння ставити питання до слів; впізнавати предмет за його ознаками; засвоювати правопис нових слів; розвивати мовлення; виховувати любов до рідної мови.
84860. Письмовий твір на основі власних спостережень «Перші кроки весни» 42.5 KB
  Мета: Вчити дітей спостерігати за змінами в природі навесні, встановлювати причинно – наслідкові залежності між явищами живої і неживої природи, писати зв’язні висловлювання. озвивати вміння викладати свої думки, збагачувати словниковий запас учнів.
84861. Текст-опис весняної квітки 154 KB
  Мета: вчити учнів самостійно складати текст-опис за поданими запитаннями, малюнком та власними спостереженнями; збагачувати словниковий запас; розвивати зв’язне мовлення, спостережливість, мислення; виховувати бережне ставлення до природи.
84862. Закріплення та узагальнення знань про слова, які означають назви предметів 145 KB
  Повторити і поглибити знання учнів про слова, які є назвами предметів. Удосконалювати вміння розпізнавати їх серед інших слів, будувати з ними речення. Закріплювати навички написання слів з великої літери. Розширювати словниковий запас учнів, розвивати творчу уяву, навички діалогічного і монологічного мовлення.
84863. Позначення буквами я, ю, є, ї двох звуків. Спостереження за позначення сполучення йо 395.5 KB
  Мета уроку: закріпити знання учнів про букви я ю є ї; зосередити увагу на випадках коли вони позначають два звуки; вчити учнів на слух розрізняти слова в яких букви я ю є ї позначають два звуки; спостерігати за позначенням буквосполучення йо вчити правильно переносити слова з цим буквосполученням...
84864. Узагальнення знань про розповідні, питальні і спонукальні речення 59.5 KB
  Мета: узагальнити і систематизувати знання учнів про речення; закріпити навички правильного інтонування речень та вміння перебудовувати речення одного виду в речення іншого виду за метою висловлювання; формувати вміння переключатися з одного виду роботи на інший засередженно слухати вчителя...
84865. Слова, які означають назви предметів. Складання речень 59.5 KB
  Мета: ознайомити дітей зі словами, які означають назви предметів, розширити й поглибити знання учнів про слова – назви предметів, вчити розпізнавати ці слова у мовленні, складати з ними речення; розвивати вміння групувати слова, класифікувати предмети.
84866. Наголос. Наголошені й ненаголошені склади і звуки 47.5 KB
  Мета: Вчити вмінню розпізнавати наголошені і ненаголошені склади. Закріпити вміння учнів ділити слова на склади. Оголошення теми уроку Ми з вами сьогодні на уроці будемо вчитися виділяти наголошені і ненаголошені звуки та склади в словах а також повправляємось у визначенні наголосу слів.
84867. Моя країна – Україна 76.5 KB
  Мета: удосконалення знань учнів про красу української мови її милозвучність і мелодійність; формування навичок виразного читання уміння аналізувати зміст прослуханого робити висновок; виховання любові до України рідної мови українського народу національної свідомості у дітей.