拉格朗日动力学
拉格朗日方程
拉格朗日关系
将真实坐标用广义坐标表示:
分别对$\dot{q}_\beta$和$q_\beta$求导:
拉格朗日方程的推导
广义坐标的达朗贝尔原理:
将拉格朗日关系代入,计算惯性力的部分:
也就是说:
这就是欧拉-拉格朗日方程。如果广义力是保守力,则可以引入广义势能$V$,使得:
将其代入拉格朗日方程:
从量纲上判断,$\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_j}$是动量量纲,$\frac{\partial L}{\partial q_j}$是力量纲,这个方程的地位有点像牛顿第二定律$F=\frac{d}{dt}p$。这点在下面也会谈到。
如果你对变分原理熟悉,可以看出这其实是哈密顿作用量取极值的结果:
对于这样一个泛函,极值的条件为:
和上面的结果是一样的。
对于自由粒子,其拉格朗日量为$L=\frac12 m v^2$,则有:
对于保守系统,其拉格朗日量为$L=T-V$,则有:
双摆的拉格朗日方程
考虑双摆的广义坐标为$(\theta_1,\theta_2)$,对应的摆长为$l_1,l_2$,质量为$m_1,m_2$,真实坐标为$(x_1,y_1,x_2,y_2)$,则有:
则有:
动能写作:
势能写作:
拉格朗日方程解为:
化简得到:
对于$\theta_2$,可以得到另一个式子:
对称性和守恒量
广义动量守恒
定义广义动量为:
如果拉格朗日量中的势能不依赖于广义速度,则有:
如果:
则可以积分出:
其中$C_j$为常数。这个常数就是广义动量守恒量。
广义能量守恒
对拉格朗日函数求时间微分:
如果拉格朗日量不显含时间,则有:
这同样是一个守恒量。定义广义能量为:
则有:
这样或许能回答“拉格朗日函数$L=T-V$的物理意义是什么”了。可以观察到代入$p=mv$后,广义能量函数就是:
诺特定理
诺特定理指出,连续对称性和守恒定律的一一对应。
- 如果拉格朗日量对某个广义坐标$q_j$不显含,则对应的广义动量$p_j$守恒;
- 如果拉格朗日量对时间不显含,则对应的广义能量$H$守恒。
具体的数学证明过于繁琐,这里不再赘述。
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