拉格朗日动力学
省流
- 拉格朗日方程:
- 广义动量:
- 广义动量守恒条件:
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。
例题
抛物面上的小球
抛物面$z(r)=Ar^2$上,小球的拉格朗日量在柱面坐标系下可以写为:
$L$不显含$\theta$,故角动量守恒:
利用守恒量消去$\dot{\theta}$,能量写作:
即径向运动由有效势决定:
圆轨道满足$V_{eff}’(r_0)=0$:
稳定性:圆轨道附近
$V_{eff}$在$r_0$处恒为严格极小值,任意半径的圆轨道均稳定。
径向小振动:径向拉格朗日方程为
令$\xi = r - r_0$并线性化,得$\ddot{\xi} + \omega_r^2\xi = 0$:
频率比:$\dfrac{\omega_r}{\dot{\theta}} = \dfrac{2}{\sqrt{1+4A^2r_0^2}}$一般不是有理数,径向与角向不同频,轨道一般不闭合;仅当$4A^2r_0^2$使该比值为有理数时闭合。$r_0\to 0$时比值为$2$,回到二维谐振子的椭圆轨道。
推广:$z = Ar^n$
将抛物面推广为一般幂次曲面$z=Ar^n$。此时$\dot{z}=nAr^{n-1}\dot{r}$,故:
角动量$l=mr^2\dot{\theta}$仍守恒,有效势:
圆轨道:$V_{eff}’(r_0)=0$给出
与$n=2$不同,一般$n\neq 2$时角速度按幂次$\dfrac{n-2}{2}$随半径变化:$n>2$时外圈转得更快,$n<2$时内圈更快。给定角动量后$r_0$被唯一确定。
稳定性:
当$A>0,\ n>0$时恒为正,所有$n>0$的圆轨道均稳定;$n<0$时$V_{eff}’=0$无正根,不存在圆轨道。
径向小振动:径向方程在$r_0$处线性化,得:
受力视角的验算:曲面法线的水平分量与竖直分量之比等于斜率$\dfrac{N_r}{N_z}=\tan\alpha = nAr^{n-1}$。圆轨道上$N_z=mg$、$N_r=mr\dot{\theta}^2$,立即得$\dot{\theta}^2=gAnr^{n-2}$,与拉格朗日结果一致。可见约束反力随半径自适应地提供向心力分量——这正是曲面约束与有心力场的本质区别:中心吸引势$V\propto -r^{-n}$(见”有心力和散射问题”)的圆轨道稳定性要求$n<2$,而曲面约束下只需$n>0$。2$,而曲面约束下只需$n>



