19017

Уравнения Гамильтона (канонические уравнения). Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства

Лекция

Физика

Лекция 15. Уравнения Гамильтона канонические уравнения. Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства Одна из форм уравнения движения это уравнения Лагранжа когда задается функция Лагранжа как функция независимых обобщенных координат и обобщенных скоростей

Русский

2013-07-11

750 KB

31 чел.

Лекция 15. Уравнения Гамильтона (канонические уравнения). Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства

Одна из форм уравнения движения, это уравнения Лагранжа, когда задается функция Лагранжа , как функция независимых обобщенных координат и обобщенных скоростей , а затем составляется система  уравнений Лагранжа

,         (1)

Однако такая форма описания механических систем не является единственно возможной. Ряд преимуществ, особенно при исследовании общих теоретических вопросов механики, представляет другая форма записи уравнений движения, когда в качестве независимых переменных выбираются обобщенные координаты и обобщенные импульсы:  и .

Чтобы перейти от набора переменных  к новому набору переменных  нужно воспользоваться стандартным преобразованием Лежандра. Для этого нужно выразить полный дифференциал функции Лагранжа  не через дифференциалы  и , а через дифференциалы обобщенных координат и импульсов  и . Тогда величины, стоящие при соответствующих дифференциалах будут частными производными по обобщенным координатам и импульсам от некоторой функции этих же переменных. В результате получим уравнения движения в переменных .

Рассмотрим сначала для простоты, механическую систему с одной степенью свободы , т.е. с одной обобщенной координатой . Тогда , и уравнение Лагранжа будет имеет вид:

     (2)

В этом случае движение механической системы описывается одним дифференциальным уравнением второго порядка, а независимые переменные  и  входят в него явно не симметричным образом. Время  играет в уравнениях Лагранжа роль независимой переменной, т.е. параметра в том смысле, что в эти уравнения не входит производная . Уравнение  (2) можно формально записать в виде

,  где        (3)

- обобщенный импульс, соответствующий обобщенной координате .

В рассматриваемом случае преобразование Лежандра сводится к следующему. Вычислим полный дифференциал от функции Лагранжа :

  (4)

В полученном выражении нужно исключить дифференциал , выразив его через дифференциал . Для этого воспользуемся очевидным равенством

       (5)

Подставляя это в соотношение (4) получим

,   т.е.

;     (6)

Левая часть соотношения (6), есть дифференциал от энергии системы, т.к. по определению

       (7)

Величина  в уравнении (6) выражена через обобщенные  координаты и импульсы, т.к. в правой части равенства (6), стоят дифференциалы именно этих величин. Величина

      (8)

называется гамильтоновой функцией системы, или просто функцией Гамильтона. Из дифференциального равенства (6)

    (9)

или

      (10)

Это и есть искомые уравнения в переменных  и  - уравнения Гамильтона.

Видим, что для системы с одной степенью свободы, уравнения Гамильтона представляют собой два дифференциальных уравнения первого порядка, вместо одного дифференциального уравнения Лагранжа (2) второго порядка. В уравнения (10) переменные  и  входят симметричным образом. Ввиду их формальной простоты и симметрии эти уравнения называются каноническими уравнениями движения.

Наличие слагаемого с  в дифференциальной форме (9), которое учитывает возможную явную зависимость функции Лагранжа (и, как следствие этого, функции Гамильтона) от времени не имеет отношения к выводу самих уравнений Гамильтона, поскольку, как и в уравнениях Лагранжа, время в рассматриваемом аспекте играет роль параметра. Из (9) следует, что

      (11)

Все сказанное выше непосредственно обобщается на систему с любым числом степеней свободы . В этом случае будем иметь:

     (12)

   (13)

,          (14)

Рассмотрим несколько простых примеров.

1. Написать функцию Лагранжа и функцию Гамильтона, а так же уравнения Лагранжа и уравнения Гамильтона в декартовых координатах для частицы , движущейся в произвольном поле .

a). Функция и уравнения Лагранжа

;     ;        (15)

b). Функция и уравнения Гамильтона. Т.к. , то

;         ,   т.е.

     (16)

Видим, что и те и другие уравнения фактически сводятся ко второму закону Ньютона.

2. Написать функцию Лагранжа и функцию Гамильтона, а так же уравнения Лагранжа и уравнения Гамильтона в цилиндрических координатах для частицы , движущейся в произвольном поле .

a). Функция и уравнения Лагранжа

;   

    (17)

b). Функция и уравнения Гамильтона

Сначала нужно записать функцию Гамильтона, т.е. выразить энергию системы

через обобщенные импульсы

;     ;       (18)

Отсюда выражаем обобщенные скорости через обобщенные импульсы:

;    ;        (19)

Подставляя это в формулу для энергии, получим выражение для функции Гамильтона:

  (20)

Уравнения Гамильтона в цилиндрических координатах

                   (21)

3. Записать уравнения Гамильтона для линейного гармонического осциллятора, когда  и .

;                     (22)

;        ;       (23)

Получили обычное уравнение для линейного осциллятора.

4. Записать уравнения Гамильтона для математического маятника  длиной , который совершает колебания в вертикальной плоскости. Ось  направлена вниз, так, что .  - угол отклонения от положения равновесия.

В цилиндрических координатах

;    ;

;         (24)

Уравнения Гамильтона

,              (25)

т.е.

;         (26)

Получили обычное уравнение колебания математического маятника.

Введем теперь понятие скобок Пуассона. Пусть имеется механическая система с одной степенью свободы: . Её обобщенные координата  и импульс  удовлетворяют уравнениям Гамильтона (10)

    (27)

Пусть  - некоторая функция величин ,  и времени . Составим её полную производную по времени, учитывая, что величины  и  тоже зависят от времени

   (28)

Поскольку  и , то выражение (28) принимает вид

    (29)

Здесь введено обозначение

     (30)

Выражение , определяемое формулой (30) называется скобкой Пуассона для величин  и . Если число степеней свободы механической системы больше единицы, то скобка Пуассона функции Гамильтона и некоторой функции динамических переменных  равна

    (31)

где - число степеней свободы системы. Для любой пары функций динамических переменных скобка Пуассона определяется аналогично формуле (31)

    (32)

Для скобок Пуассона справедливы очевидные равенства

1.

2.  где  - постоянная

3.

4.

Поскольку для полной производной по времени функции динамических переменных  справедливо соотношение

    (33)

то величины независящие явно от времени являются интегралами движения, если их скобка Пуассона с функцией Гамильтона системы равна нулю.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22506. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИССИИ И ЦЕЛЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ 219.47 KB
  Но целевое начало в деятельности организации возникает отнюдь не только потому что ей нужно иметь ориентиры чтобы не погибнуть в изменяющемся окружении. В первую очередь целевое начало в деятельности организации возникает потому что организация это объединение людей преследующих определенные цели. Люди создают организации для того чтобы с их помощью решать свои проблемы.
22507. ЧТО ТАКОЕ СТРАТЕГИЯ ФИРМЫ И КАК ОНА ВЫРАБАТЫВАЕТСЯ 494.62 KB
  Сущность стратегии организации . Выбор стратегии и ее реализация составляют основную часть содержания стратегического управления. Существуют два противоположных взгляда на понимание стратегии. Первое понимание стратегии базируется на следующем процессе.
22508. КОНЦЕПЦИЯ ПРОДУКТА В СТРАТЕГИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ 466.76 KB
  Понятие продукта Понятие продукта очень сильно варьируется в зависимости от того кто вкладывает смысл в это понятие в контексте каких процессов оно рассматривается относительно к каким видам продукции применяется и т. Каждое данное понимание продукта отвечает на вопрос о том что делает фирма и принципиально отличается одно от другого в зависимости от того кто и в каком контексте дает ответ. Свой определенный смысл в понимание продукта вкладывает разработчик продукта посвоему смотрит на продукт плановик и наконец свой...
22509. ДИНАМИКА ПРОДУКТА 311.55 KB
  От того как фирма смотрит на производимый ею продукт как она подходит к выработке своей стратегии продукта во многом зависит сумеет ли фирма найти свое место на рынке сможет ли обеспечить себе устойчивые связи с окружением осуществить своевременные и адекватные запросам среды изменения. Но это было статическое рассмотрение продукта. Другим очень важным направлением рассмотрения продукта в стратегическом управлении является его динамическое рассмотрение в соответствии с которым продукт предстает как изменяющееся во времени...
22510. СТРАТЕГИЯ ПРОДУКТА 404.19 KB
  Ответ на эти вопросы относящиеся к стратегии продукта формируется под влиянием нескольких факторов. В первую очередь стратегия продукта зависит от стратегии фирмы. Однако хотя стратегия продукта и является подстратегией общей стратегии фирмы и соответственно определяется характером ее целей и ее стратегией тем не менее можно указать на отдельные факторы оказывающие непосредственное влияние на выработку стратегии продукта.
22511. КАК СТРОИТСЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА И ОРГАНИЗАЦИИ 368.1 KB
  Для того чтобы понять как строится взаимодействие человека с организацией необходимо не только уяснить в чем суть проблемы этого взаимодействия а также то что в личности человека определяет его поведение в организации и какие характеристики организационного окружения влияют на то как происходит включение человека в деятельность организации. Подходы к построению взаимодействия человека и организационного окружения Взгляд на поведение человека в организации может быть осуществлен с двух позиций: с позиции человека взаимодействующего с...
22512. ВХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА В ОРГАНИЗАЦИЮ 134.02 KB
  Быть членом организации совсем не одно и то же что входить в организацию становиться ее членом. Втретьих это проблема изменений и модификаций в организации которые происходят даже тогда когда организация уже имеет свободное место для человека и сама принимает человека на это место в соответствии с ее потребностями и критериями отбора. От решения данных проблем зависит не только то сможет ли человек войти в организацию но и то как человек будет функционировать в организации как будет строиться его взаимодействие с организационным...
22513. Расчет статически неопределимых балок. Способ сравнения деформаций 72.5 KB
  Рис. Схемы статически неопределимых балок Например для уменьшения пролета балки АВ на двух опорах Рис.1 а можно поставить опору еще посредине а для уменьшения деформаций балки защемленной одним концом Рис. Во всех подобных случаях число опорных реакций которые могут возникнуть превышает число уравнений статики например для балок рис.
22514. Применение вариационных методов 103 KB
  Лишнюю опорную реакцию В Рис. Рис. При решении по Мору кроме первого состояния нагружения основной балки заданной нагрузкой и лишней неизвестной силой Рис.2 а следует показать ту же балку во втором состоянии загружения силой Рис.