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

32 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

52793. Влияние духовной жизни на здоровье человека 33.5 KB
  Донецка Интегрированный урок курсов Этика и Основы здоровья в 5м классе на тему Влияние духовной жизни на здоровье человека Подготовила: учитель Пак В. Тема: Влияние духовной жизни на здоровье человека. Цель урока: рассказать ученикам о влиянии духовной жизни на здоровье человека; подвести их к выводу о взаимосвязи духовного и физического здоровья; привить стремление к духовнонравственному благополучию; формировать ответственность за свое здоровье жизнь и здоровье других людей. На прошлом уроке мы с вами говорили о том что...
52794. Урок духовності. Весна – красна 53 KB
  Хід уроку Учитель: Доброго дня учні Доброго дня гості Сьогодні ми побуваємо в гостях у наших предків ознайомимося з національними скарбами українського народу щоб зрозуміти наскільки багата наша культура і невичерпна духовність. Пісня В саду гуляла Учитель: Традиції залишаються вірними собі. Пісня Два кольори Учитель: традиції залишаються а земля змінюється і оновлюється. Учитель: 1 березня 14 березня за новим стилем день Явдохи це свято є вісником весни.
52795. СТАНОВЛЕНННЯ ДУХОВНОСТІ ОСОБИСТОСТІ 32 KB
  Вибір соціальногуманістичного змісту життя диктує шляхи й засоби реалізації високого суспільного ідеалу виховання вільної гармонійної духовноінтелектуальної високоморальної творчої особистості адаптованої до нових умов різнобічно розвиненої соціально зрілої яка успішно засвоює цінніснонормативний досвід попередніх поколінь людства й свого народу виробляючи свій власний досвід діяльності творчості спілкування. Де пролягає шлях до духовності учня Насамперед через духовність вчителя мудрого наставника який...
52796. Наша дума, наша пісня – не вмре, не загине 57.5 KB
  Київ В сценарії висвітлено роль значення і невичерпну силу пісні в житті людини від прапрадівських часів до наших днів. Армійські маршові пісні. Стрілецькі пісні. Пісні про Велику Вітчизняну війну.
52797. Любов’ю збережемо здоров’я нації 37.5 KB
  Але набагато страшнішим є те що люди не лише ламають свою вагу а й втручаються в роботу дитячих ваг ламаючи їх в присутності дітей зважують своєю зламаною вагою вчинки інших навязуючи свої помилкові твердження словом грають на струнах дитячих душ. Ми вчителі дуже раділи коли за такий короткий час підготували дітей до виступу. Та як ми були здивовані спостерігаючи за реакцією батьків на виступ дітей. А ця неприязнь до чужих дітей передається власним діткам.
52798. Древнейшие государства Двуречья 95 KB
  Ожидаемые результаты: После этого урока учащиеся смогут: характеризовать природно-климатические условия и географическое положение государств Двуречья; называть племена которые населяли Двуречье в древности первые цивилизации в долинах Тигра и Евфрата; определять закономерности развития цивилизаций в долинах рек на примерах изучаемой страны; продолжать работу с атласом и контурной картой показывать на настенной демонстрируемой карте и в атласе территорию Двуречья отмечать ее на контурной карте; применять и объяснять понятия и...
52799. СЦЕНАРІЙ ЛІТЕРАТУРНО-МИСТЕЦЬКОГО ЗАХОДУ «ДЖЕРЕЛО ТВОРЧОСТІ» 176.5 KB
  Якою джерельною чистою мовою говориш ти сьогодні. 1ша ведуча Звичайно джерельною А ти взагалі бачив джерельце Ти бачив те маленьке диво чудо природи Як воно ніжне але таке сильне виплескує на землю воду потім утворює струмок напуває річку несе воду до моря А море живить океан океан життя океан творчості 2й ведучий Твоя розповідь нагадала мені як у нашому житті зявляється творча особистість як проходить її становлення як вона самореалізується. 2й ведучий Ласкаво просимо з нами побувати у мандрівці Разом з...
52800. Сценарій свята Останнього дзвоника 96 KB
  Ведучий 1: Увага Увага Увага Учень: День сьогодні такий незвичний Сонце встало умите в росі Скликав в школу нас дзвоник останній І зібрались на свято усі. Ведучий 2: Але стривайте Яке ж свято без випускників початкової школи Тож давайте запросимо їх на урочисту лінійку Ведучий 1: Злинь же музико в небо гучніше В добру пору лунай в добрий час Вище голови Йдіть веселіше Бо усі вже чекають на вас Звучить музика. Ведучий 2: Свято...