Лагранжева функција

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

Када се решава проблем кретања система више тела, користи се Лагранжев формализам који упрошћава праћење еволуције система. Тачније, користе се једначине:−ddt∂L∂q˙i−∂L∂qi=0

где је L=T−U Лагранжијан или Лагранжева функција, док је Т — кинетичка енергија система, а U — потенцијална енергија система, док су q˙i — генералисане брзине, а qi — генералисане координате.[1]

Извођење

Полазимо од Даламберовог принципа да је рад сила реакција подлоге при могућем или виртуелном померању тела једнак 0, тј. ако је:mνa→ν−F→ν=R→ν, где је mν — маса ν-тог тела, аν — његово убрзање, F→ν — резултанта дејствујућих сила на ν-то тело и R→ν — реакција подлоге на ν-то тело, тада је: ∑ν=1NR→ν⋅δr→ν=0, односно ∑ν=1N(mνa→ν−F→ν)⋅δr→ν=0 1.

δr→ν=∑i=1n∂r→ν∂qiδqi; v→ν=dr→νdt=∑i=1n∂r→ν∂qiq˙i=> ∂r→ν∂qi=∂v→ν∂q˙i, сада израз 1. постаје

∑ν=1N(mνdv→νdt−F→ν)⋅δr→ν=0 уз dv→νdt=∑i=1n(∂v→ν∂qiq˙i+∂r→ν∂qiq¨i), а ∂r→ν∂qiq¨i=d(∂r→ν∂qiq˙i)dt−∂v→ν∂qiq˙i

∑ν=1Nmν∑i=1,j=1n(d(∂r→ν∂qiq˙i)dt∂r→ν∂qj)δqj−∑ν=1NF→ν∑j=1n∂r→ν∂qjδqj=0

Како је кинетичка енергија, T=∑ν=1N12mνvν2=∑ν=1Nmν∑i=1,j=1n∂r→ν∂q˙iq˙i∂r→ν∂q˙jq˙j=>

mν∑j=1n∂r→ν∂qj∂r→ν∂qiq˙j=∂T∂q˙i=> ∑ν=1Nmν∑i=1,j=1n(d(∂r→ν∂qiq˙i)dt∂r→ν∂qj)δqj=∑j=1n(d(∂T∂q˙j)dt−∂T∂qj)δqj

Па ако су силе потенцијалне, тј. важи F→ν=−∂U∂r→ν, то израз F→ν∑i=1n∂r→ν∂qi=−∂U∂qj

и коначно једначина 1 постаје:∑j=1n(d(∂T∂q˙j)dt−∂T∂qj+∂U∂qj)δqj=0

Како су могућа померања δqjпроизвољна, то следи: −ddt(∂L∂q˙i)+∂L∂qi=0

Примери

Приказ клатна са дејствујућим силама, везама и генералисаном координатом

Круто тело занемарљиве масе ограничава кретање тела масе ṁ занемарљивих димензија, тако да се кретање прати замо углом θ — отклона штапа од вертикале, па се добије:dr→=dre→r+rdθe→θ=> dr→=rdθe→θ;dr=0

v=rϕ˙; T=12mv2=12ml2θ˙2; U=mgl(1−cos⁡θ)

L=T−U=12mr2ϕ˙2−mgl(1−cos⁡θ), па из

−ddt(∂L∂θ˙)+∂L∂θ=0=> l2θ¨=−lgsin⁡θ, па за θ→0 произилази решење θ=Acos⁡(ωt+ϕ0)ω=gl

Кретање у Кулоновом пољу сила

Кулоново поље сила припада типу централних сила, код којих је момент импулса једнак 0.r→×mv˙→=r→×F(r)r→r, а по својству векторског производа r→×r→=0, па је r→×mv→=mr2ϕ˙k→константа кретања.

Исти резултат лако добијамо из Лангражевог формализма:−ddt∂L∂ϕ˙−∂L∂ϕ=0

L=T−U=12mr2ϕ˙2−Ze24πϵ0r=>∂L∂ϕ˙=mr2ϕ˙,јер је ∂L∂ϕ=0

Ẕ — број протона у језгри атома или редни број атома, ṁ — маса електрона, е — наелектрисање електрона, ε0 — диелектричка пропустљивост вакуума.

Референце

Шаблон:Референце

Шаблон:Подножје