Appearance
理论力学
理论力学的核心不是把牛顿第二定律简单换一个符号,而是把力学问题提升为“自由度、约束、变分、对称性和守恒量”的统一结构。课件中最重要的主线是:从广义坐标出发,经过虚功原理和 Hamilton 原理,建立 Lagrange 方程,再通过 Legendre 变换进入 Hamilton 形式。
1. 从牛顿力学到分析力学
牛顿力学适合处理少数质点在直角坐标中的受力问题:
但如果系统有约束,例如摆、刚体、滚动圆盘或粒子被限制在曲面上,直接写约束力会很麻烦。分析力学的策略是:先选取能自动满足约束的广义坐标,再对独立自由度写方程。
若系统自由度为 ,用
描述构型。第 个质点的位置写作
速度由链式法则得到:
这说明广义速度 进入动能时通常是二次型。
2. 虚位移与广义力
虚位移是在固定时刻、满足约束的无穷小位移。若
则外力虚功为
其中
称为广义力。广义力不一定具有普通力的量纲,它的量纲取决于广义坐标的量纲。
3. Lagrange 方程
定义 Lagrange 量
对保守系统,真实运动使作用量
取驻值,即 。由分部积分并令端点变分为零,可得欧拉-拉格朗日方程:
若系统存在非保守广义力 ,则写成
这就是理论力学中最常用的方程。
4. 一个典型例子:单摆
设单摆长度为 ,质量为 ,广义坐标为摆角 。动能和势能为
因此
代入 Lagrange 方程:
即
小角近似 下得到简谐振动:
5. 循环坐标与守恒量
若某个广义坐标 不显含于 Lagrange 量,即
则
为守恒量。这个 称为共轭动量。
如果 不显含时间,则能量函数
守恒。对自然系统,若 是速度的二次齐次函数且 不含速度,则 。
6. Hamilton 形式
Hamilton 形式通过 Legendre 变换把变量从 换成 。定义
以及 Hamilton 量
在正则坐标下,运动方程为
Hamilton 方程是相空间中的一阶方程组。它特别适合讨论正则变换、Poisson 括号和统计力学。
7. Poisson 括号
对任意两个相空间函数 与 ,Poisson 括号定义为
任意力学量 的演化满足
若 且 ,则 是守恒量。
8. 解题流程
- 判断自由度并选择广义坐标。
- 写出位置、速度、动能和势能。
- 构造 。
- 对每个广义坐标写 Lagrange 方程。
- 寻找循环坐标和守恒量。
- 若需要相空间描述,再转入 Hamilton 形式。
9. 复习问题
- 广义力为什么不一定具有普通力的量纲?
- Lagrange 方程中约束力为什么常常不显式出现?
- 循环坐标和守恒量有什么关系?
- Hamilton 量什么时候等于总能量?
- Poisson 括号如何表达守恒量条件?
10. 复习提纲
这门课的复习提纲已经并入正文。最稳妥的复习顺序就是:
约束与自由度 -> 广义坐标 -> 虚位移与虚功 -> Lagrange 方程 -> 守恒量 -> 小振动 -> Hamilton 形式 -> Poisson 括号 -> Hamilton-Jacobi
做题时不要跳步。先判断约束和自由度,再写 (L=T-V),然后才谈守恒量、正则变量和小振动。真正容易丢分的地方通常不是公式忘了,而是自由度数错、坐标选坏,或者在还没找到平衡点时就硬做线性化。