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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:

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

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 ,Poisson 括号定义为

任意力学量 的演化满足

,则 是守恒量。

8. 解题流程

  1. 判断自由度并选择广义坐标。
  2. 写出位置、速度、动能和势能。
  3. 构造
  4. 对每个广义坐标写 Lagrange 方程。
  5. 寻找循环坐标和守恒量。
  6. 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。

用 Markdown 与 LaTeX 记录清晰、可复查的学习过程。