- •Логічна структура сучасної фізики.
- •Межі застосування фізичної теорії.
- •Розділ 1. Основні поняття й закони класичної механіки.
- •§2. Класичні уявлення про простір і час та їх арифметизація.
- •§3. Кінематичні й динамічні характеристики механічного руху.
- •§4. Закони динаміки Ньютона.
- •§5. Принцип відносності Галілея.
- •§ 6. Основна задача динаміки та роль початкових умов. Принцип причинності класичної механіки.
- •§ 7. Потенціальна енергія і класифікація вільних механічних систем.
- •§ 8. Перші інтеграли рівнянь руху й закони збереження.
- •§ 9. Закон збереження енергії і його зв'язок з однорідністю часу.
- •§ 10. Закон збереження імпульсу і його зв'язок з однорідністю простору.
- •§ 11. Закон збереження моменту імпульсу і його зв'язок з ізотропністю простору.
- •Розділ 3. Основи аналітичної механіки.
- •§ 12. Постановка задачі про рух невільної механічної системи. Класифікація в'язів.
- •13. Рівняння Лагранжа. Функція Лагранжа.
- •З врахуванням (13.12) перепишемо рівняння (13.11) в остаточному вигляді:
- •§ 14. Функція Лагранжа і закони збереження.
- •§ 15. Основна задача варіаційного числення. Рівняння Ейлера.
- •Найпростішим функціоналом є криволінійний інтеграл:
- •Інтегруючи другий інтеграл у правій частині (15.6) по частинам з урахуванням граничних умов (15.4) одержуємо:
- •Узагальнимо отримані результати для функціонала
- •§ 16. Принципи найменшої дії Гамільтона-Остроградського.
- •§ 17. Канонічні рівняння руху.
- •Підставляючи (17.8) в (17.7), одержуємо:
- •§ 18. Дужки Пуассона.
- •§ 19. Рівняння Гамільтона-Якобі.
13. Рівняння Лагранжа. Функція Лагранжа.
У цьому параграфі ми викладемо такий спосіб розв’язку основної динамічної задачі для механічних систем з в’язями, який не містить недоліків способу викладеного в § 12. Основна ідея полягає в тому, щоб загальну динамічну задачу про відшукання закону руху системи і сил реакції в'язів розбити (розчленувати) на дві задачі: 1) знайти спочатку закон руху системи (цю задачу надалі ми й будемо називати основною); для цього необхідно одержати замкнуту систему рівнянь для S =3n-k незалежних координат системи (за допомогою яких можна задати стан системи з в’язями в будь-який момент часу); 2) потім за допомогою рівнянь (12,11) визначити й невідомі , якщо в цьому є необхідність (ця задача тривіальна в порівнянні з першою, тому що її розв’язок зводиться до взяття других похідних за часом від координат, що завжди здійсненно). Надалі ми будемо вирішувати тільки основну задачу знаходження закону руху механічної системи з в’язями, що складається з n- матеріальних точок, на які накладене k-ідеальних, утримуючих голономних в'язів. Необхідні для розв’язку цієї задачі рівняння руху можна одержати послідовним виключенням із системи рівнянь Ньютона (12,11) спочатку невідомих сил реакцій в'язів , а потім і залежних координат системи з в’язями.
Для виключення сил реакцій в'язів, помножимо скалярно кожне з рівнянь руху (12,11) на віртуальне переміщення відповідної точки й складемо почленно результати множення. Одержуємо рівняння:
(13,1)
В силу умови ідеальності в'язів (12,10) остання сума в (13,1) обертається в нуль, тому перепишемо (13,1) у вигляді:
(13,2)
Рівняння
(13,2) являє собою математичне формулювання
одного з найважливіших диференціальних
варіаційних принципів механіки
–
принципу Д’Аламбера – Лагранжа,
що стверджує: якщо на механічну систему
накладені утримуючі, голономні й ідеальні
в'язі, то в кожен момент часу сума
віртуальних робіт всіх активних сил
і так званих “ сил інерції ” Д’Аламбера
дорівнює нулю для будь-якого віртуального
переміщення системи. Рівняння (13,2)
називають також загальним
рівнянням динаміки голономних систем,
тому що його можна прийняти в якості
основної і єдиної аксіоми для побудови
теорії руху таких систем (з нього можна
одержати будь-які інші рівняння руху,
тобто такі, як рівняння Ньютона, так і
рівняння Лагранжа).
Рівняння (13,2) містять варіації як незалежних, так і залежних координат системи з в’язями, тому що на неї накладена k-в'язів виду (12,2). Тому для одержання з (13,2) диференціальних рівнянь руху необхідно виключити із цього рівняння варіації залежних координат, тобто перейти до незалежних (або, як говорять, узагальнених) координат механічної системи.
Узагальненими
(або незалежними)
координатами
механічної системи називають будь-які
3n-k величин
(число яких збігається із числом ступенів
свободи системи s=3n-k), що однозначно
визначають положення
системи в просторі в будь-який момент
часу. Із цього визначення випливає, що
узагальнені координати повинні
задовольняти наступним двом вимогам:
Декартові координати точок повинні бути однозначними функціями узагальнених координат вигляду:
,
(13,3)
якщо на систему накладені нестаціонарні в'язі, або в'язі вигляду:
,
(13,4)
якщо на систему накладені стаціонарні в'язі.
Узагальнені координати необхідно вибирати в повній відповідності з накладеними на систему в'язями. Це означає, що рівняння в'язів (12,2) повинні обертатися в тотожність при підстановці в них функцій (13,3) або (13,4).
Пояснимо сказане на прикладі сферичного маятника, розглянутого в § 12. Для цієї системи n=1, k=1, тому s=3n–k=2, тобто положення маятника можна задати за допомогою двох узагальнених координат, у якості яких можна вибрати сферичні координати θ і φ. При цьому декартові координати однозначно виражаються через θ і φ:
,
(13,5)
а рівняння в'язів (12,17) обертається в тотожність при підстановці в нього функції (13,5), що легко перевірити.
Зауваження.
В §6 ми бачили, що стан
вільної
системи в будь-який момент часу
визначається одночасним
заданням її декартових координат
і декартових компонент швидкостей точок
.
Аналогічно, стан
системи з в’язями в будь-який момент
часу повністю визначається одночасним
завданням її узагальнених
координат
й узагальнених
швидкостей
.
Ясно, що фізично таке визначення стану
системи засновано на допущенні про
можливості одночасного
точного виміру в макроскопічних тілах
будь-яких фізичних величин (див. §6).
Випишемо тут ряд формул, якими ми надалі скористаємося, описуючи перехід від декартових координат до узагальнених. Для віртуальних переміщень із (13,3) маємо:
, (13,5)
де
- варіації узагальнених (незалежних)
координат. Зв'язок між швидкостями точок
й їхніми узагальненими
швидкостями
одержуємо, диференціюючи (13,3) за часом:
.
(13,6)
Так
як згідно (13,6) швидкості
є лінійні
функції узагальнених швидкостей
,
то беручи часткові похідні по
від співвідношень (13,6), одержуємо
тотожності:
.
(13.7)
Далі,
з огляду на те, що
є функції узагальнених координат
і часу t , та використовуючи (13,6) одержуємо:
таким чином остаточно маємо тотожності:
.
(13,8)
Перейдемо тепер у рівнянні (13,2) до узагальнених координат. Підставляючи в (13,2) вираження (13,5) і змінюючи порядок виконання операцій підсумовуванням по індексах i та α , одержуємо:
(13,9)
Уведемо позначення:
(13,10)
і
назвемо скалярну
величину
узагальненою
силою,
що відповідає незалежній координаті
.
Так як віртуальні переміщення
незалежні,
то всі коефіцієнти при всіх переміщеннях
у лівій частині рівності (13,9) повинні
обертатися в нуль, тобто з врахуванням
(13,10) маємо рівняння:
(13,11)
Це
і є, по суті справи, шукані рівняння руху
в узагальнених координатах, де
й
згідно (13,3) і (13,6) варто розглядати як
функції узагальнених координат і
швидкостей:
,
.
Тут і надалі ми скористаємося скороченими
позначеннями:
і
.
Для кращого розуміння фізичного змісту
величини, що є в лівій частині (13,11),
проробимо з нею ряд тотожних перетворень.
Насамперед помітимо, що:
звідки з урахуванням тотожностей (13,7) - (13,8) одержуємо:
і, отже,
(13.12)
де
- кінетична
енергія системи,
представлена як функція узагальнених
координат
,
узагальнених швидкостей
і часу
.
