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

alt

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$n>0$。