Transcript Lesson8.ppt
בס"ד מכניקה קלאסית – תרגול מס' 8 הפורמליזם ההמילטוני ומשוואות המילטון משוואות המילטון הגדרת ההמילטוניאן ע"פ טרנספורמציית לז'נדר: L H q , p , t pk q k L ; pk )(1 qk k H dH L מכאן משוואות המילטון: p k ; qk dt t הדרך לעבור מניסוח לגרנז'י לניסוח המילטוני: H ; pk q k L ( pk שאר דרגות החופש קפואות) א) להגדיר את התנע המוכלל לכל דרגת חופש q k ב) לכתוב את ההמילטוניאן לפי ( ,)1כרגע הוא עדיין תלוי בqk , q k , pk - ג) לבטא עבור כל דרגת חופש את המהירות המוכללת q kדרך q , p q ד) להציב את תוצאות סעיף ג' לתוך ( .)1נקבל ביטוי התלוי ב , p -ואולי בזמן. ה) לכתוב את משוואות המילטון ולפתור אותן. סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 2 חלקיק על-פני גליל בעיה :לפתור את תנועתו של חלקיק בעל מסה mהמאולץ לנוע על-פני גליל פתוח בעל רדיוס .Rהחלקיק קשור לראשית ע"י קפיץ בעל קבוע .k m 2 2 T במערכת גליליתR z 2 : 2 k 2 k 2 V r R z2 2 2 מכאן הלגרנז'יאן: m 2 2 k 2 2 L R z R z 2 2 2 pz L התנעים הינם: pz m z z z m p L 2 משתנה ציקלי: p m R 2 mR סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 3 חלקיק על-פני גליל -סיום m k ההמילטוניאןH p p z L R z R z E : 2 2 2 2 2 2 2 z 2 k 2 1 p 2 2 נחליף את המהירויות בתנעים ונקבל: H p R z z 2 2 2 m R p מכאן משוואות המילטון; p 0 p const : 2 mR pz k z ; p z k z z 2 z , m m זוהי משוואת אוסצילטור הרמוני שפתרונה z t A cos t 0 הפתרון יהיה סיבוב חופשי (במהירות זוויתית קבועה) בזווית ותנודות הרמוניות בציר אנכי .Zאין השפעה הדדית בין שתי דרגות החופש (כגון פוטנציאל אפקטיבי). סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 4 חלקיק על ישר משופע מסתובב חלקיק בעל מסה mחופשי לנוע (תחת השפעת כוח הכובד) על-פני מסלול ישר משופע AB .AB מסתובב סביב הראשית על הציר OCשאורכו ,h במהירות זוויתית קבועה .את מרחק החלקיק מנקודה Cנסמן ב .q -תנאי ההתחלה הם: 0 0; q 0 0; q 0 0 המטרה :לחשב את ) q(tולבדוק האם האנרגיה נשמרת. יש כאן שני אילוצים( :א) החלקיק נע על הישר – נבטא ע"י קואורדינטה .q (ב) הישר מסתובב במהירות זוויתית קבועה ,איננה קואורדינטה אלא אילוץ. מעתה נרשום בכל מקום 0 t t : ההמילטוניאן תלוי מפורשות בזמן ולכן אינו נשמר באופן כללי. סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 5 המשך- חלקיק על ישר משופע : נתחיל מקואורדינטות קרטזיות x h sin t q cos t q sin t x h cos t q sin t y h sin t q cos t y h cos t q sin t q cos t m m 2 2 2 T x 2 y 2 q q h ; V m g h sin t q cos t 2 2 m 2 2 2 L q q h m g h sin t q cos t : הלגרנז'יאן 2 L p p m q h q h : התנע המוכלל יהיה q m H p q L m q h q m 2 2 2 q q h m g h sin t q cos t 2 p2 m 2q 2 H h p m g h sin t q cos t 2m 2 6 – פורמליזם המילטוני ומשוואות8 תרגול המילטון : וההמילטוניאן סמסטר א' תשס"ד חלקיק על ישר משופע -פתרון נרשום את משוואות המילטון: H p H h ; p m 2q m g cos t p m q נגזור את המשוואה הראשונה שוב לפי הזמן ונקבל ,למעשה ,את מש' אוילר: q cos t g q 2 q g cos t qt A e t B e t נציב את תנאי ההתחלה q 0 0; q 0 0ונקבל: 2 1 t ; qt 2 cosh t cos t cosh t e e t 2 זוהי תנועה לא חסומה – המרחק יגדל אקספוננציאלית עם הזמן. g g q 0 q0 ניתן למצוא תנאי התחלה מתאימים לתנועה חסומה .אם g t t אז A = 0ו q t q 0 e 2 e cos t -אך פתרון זה אינו יציב. סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 7 חלקיק על ישר משופע -השלמות ההמילטוניאן אינו זהה לאנרגיה ושניהם אינם קבועים בזמן ,משום שקיים כוח מאלץ חיצוני שמסובב את ABובכך משקיע אנרגיה במערכת. dH L דוגמא m g h cos t q sin t 0 : dt t נבנה גרף של )q(t q ונראה שיש גידול אקפוננציאלי t גרף של )( q(tבכחול) לעומת גרף של ( coshירוק) ושל ( cosאדום) מהגרף רואים שיש לקוסינוס השפעה רק בסביבת הראשית. סמסטר א' תשס"ד תרגול – 8פורמליזם המילטוני ומשוואות המילטון 8