Transcript Mekanik 2

Mekanik 2

Live-L

A

TEX:ad av Anton Mårtensson 2012-05-08

I Newtonsk mekanik beskrivs rörelsen för en partikel under inverkan av en kraft av

p

˙ =

m

¨ =

F

Detta är ett postulat och grundläggande för all Newtonsk mekanik.

T ex =

M

fås ur ovanstående genom att dela upp en kropp i masselement och utnyttja stelkroppsvillkoret. Vi har också stött på ekvationen i diverse förklädnader.

•

Uttryckt i diverse olika koordinatsystem.

•

Arbete–energy-principen.

•

Impuls–rörelsemängd.

•

Impulsmoment–rörelsemängdsmoment.

Vi skall introducera en alternativ formulering av den klassiska mekaniken: analytisk mekanik.

Vi kommer att formulera Lagranges ekvationer och visa att dessa följer från en fundamental princip som kallas verkansprincipen.

Idag

•

Illustrerande exempel utan motivering.

•

Introducera nya begrepp.

•

Generaliserade koordinater.

•

Generaliserade hastigheter.

•

Generaliserade krafter.

•

Generaliserade rörelsemängder.

1

Exempel En massa fäst i en fjäder med en frihetsgrad.

Rörelseekvationen kan fås från Newtons andra lag:

F

=

ma ⇒ m

¨ =

− kx

Istället formar vi den till synes underliga kombinationen för systemets Lagrangian. I vårt fall är

T

= 1 2

mx

2 och

V L

= 1 2 =

T kx

2 .

− V

som vi kallar Sedan introducerar vi (omotiverat) Lagranges ekvation:

d

(

∂L

)

− dt ∂ ∂L ∂x

= 0 I vårt fall:

∂L

=

m ∂ ∂L

=

− kx ∂x ⇒ m

¨ +

kx

= 0 dvs samma som förut.

Generaliserade koordinater Antalet frihetsgrader bestämmer hur många rörelsevariabler som behövs för att beskriva det.

Om antalet frihetsgrader är

N

kallar vi varje uppsättning rörelsevariabler

q

1

, q

2

, · · ·

för en uppsättning generaliserade koordinater.

, q N

Exempel En stel kropp i planet har tre frihetsgrader. Vi kan använda (

x c , y c , θ

) erade koordinater där (

x c , y c

) relativt godtycklig axel.

beskriver masscentrums läge och

θ

som generalis kroppens rotation Generaliserade hastigheter Defineras intuitivt från de generaliserade koordinaterna.

v i

= ˙

i

Notera att enheten på

v i

beror på enheten hos

q i

.

2

Exempel Med polära koordinater (

r, ϕ

) fås generaliserade hastigheter som generaliserade koordinater för en partikel i planet

ϕ

˙ ) medan den verkliga hastighetsvektorn är

r, r ϕ

˙ ) .

Generaliserade krafter Studera ett system med siska koordinater

N x

1

, x

2

, · · ·

frihetsgrader. Detta kan beskrivas med

, x N

.

N

stycken karte Alternativt kan samma system beskrivas med en uppsättning generaliserade koor dinater

q

1

, q

2

, · · · , q N

.

Då de beskriver samma system måste det finnas en transformation mellan dessa.

x i

=

x i

(

q

1

, q

2

, · · · , q N

) =

x i

(

q

) (för enkelhetens skull bortses från tidsberoende) En förändring

dq

i rörelsevektorn

q

ger motsvarande förflyttning i alla

x i

enligt

dx i

=

j

=1

∂x ∂q i j dq j

Det infinitisemala arbetet

dW

är en summa av termer som uträttas av en kraft

F

under en sådan förflyttning

dW

=

i

=1 =

F j

=1

i dx i

=

F i i

=1 ( ∑

F i ∂x i ∂q j i

=1 )

j

=1

dq j ∂x ∂q i j dq j

=

j

=1

F j dq j F j

är den generaliserade kraften associerad med den generaliserade koordinaten

q j

.

Exempel Betrakta en matematisk pendel med längd

l

. Välj vinkeln generaliserad koordinat.

ϕ

från vertikalaxeln som Antag att massan förflyttas vinkeln

dϕ

under inverkan av en kraft

F

. Den förflyttade sträckan blir

dr

=

l dϕ

ˆ

ϕ

och det uträttade arbetet

dW

=

F dr

=

F ϕ l dϕ

3

F ϕ

=

F ϕ l

Dvs

F ϕ

= koordinaten

F ϕ l ϕ

.

är den generaliserade kraften associerad med den generaliserade

Allmänn slutsats

Den generaliserade kraft som associeras med en vinkelkoordinat är ett vridmoment.

.

Om kraften är konservativ kan den skrivas i termer av en potential

F i

=

− ∂V ∂x i

Vad gäller för en generaliserad kraft?

F j

=

i

=1

F i ∂x i q j

=

i

=1

− ∂V ∂x i ∂x i ∂q j

=

− ∂V ∂q j

Kinetisk energi och generaliserad rörelsemängd Betrakta en partikel i rummet (dvs

N

= 3 ). Den kinetiska energin

T

= 1 2

m

∑

x i

) 2

i

=1 med transformation

x i

(

q

) (utan tidsberoende, fast det spelar ingen roll).

så

T

= ˙

i

1 2

m

=

d dt

(

x i

) =

i

=1

i

=1 [ ∑

∂x i q

˙

j ∂q j i

=1

∂x i q

˙

j ∂q j k

=1

∂x ∂q k i q

˙

k

] = 1 2

m j,k

=1

A jk

(

q

) ˙

j q

˙

k

med

∂x i ∂x i A jk

=

i

=1

∂q j ∂q k

Alltså kan

T

skrivas i matrisform

T

= 1 2

m q

˙

T A q

˙ där

A

är en symmetrisk matris.

4

Exempel Plan rörelse med polära koordinater (

r, ϕ

) eller med kartesiska koordinater (

x, y

) .

Transformationen är

x

=

r

cos

ϕ , y

=

r

sin

ϕ

Matriselementen för

A A rr

kan räknas ut =

∂x ∂x ∂r ∂r

+

∂y ∂y ∂r ∂r A ϕϕ

=

∂x ∂x ∂ϕ ∂ϕ

+

∂y ∂y ∂ϕ ∂ϕ

= = cos 2

ϕ

+ sin 2

ϕ

= 1

r

2 sin 2

ϕ

+

r

2 cos 2

ϕ

=

r

2

A rϕ

=

A ϕr

=

∂x ∂x ∂r ∂ϕ

+

∂y ∂r ∂y ∂ϕ ⇒ A

= cos

ϕ

(

− r

sin

ϕ

) + sin

ϕr

= ( 1 0

r

0 2 ) cos

ϕ

= 0 Den kinetiska energin blir =

T

= 1 2

m

(

r

˙ 1 2

m

(

r

˙

ϕ

˙ ) (

r

2

r

˙

ϕ

˙ ) ( 1 0 )

ϕ

˙ = 0

r

2 ) (

r

˙ ˙

ϕ

) 1 2

m r

2 +

r

2

ϕ

˙ 2 ) När man differentierar den kinetiska energin m a p en (vanlig) hastighet får man

∂T ∂

˙

i

=

m

˙

i

Vi definerar den generaliserade rörelsemängden

ρ i

=

∂T ∂ q

˙

i

Exempel Polära koordinater igen:

T

= 1 2

m r

2 +

r

2

ϕ

˙ 2 ) dvs generaliserade rörelsemängden är

ρ r

=

∂T ∂ r

˙

ρ ϕ

=

∂T ∂ ϕ

˙ =

m r

˙ =

mr

2

ϕ

˙ Dvs generaliserad rörelsemängd associerad med en vinkelkoordinat är ett rörelsemängdsmo ment.

5