Ràng buộc, phương trình biến phân và tọa độ tuần hoàn
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| Euler–Lagrange/ˈɔɪlə ˈlæɡreɪndʒ/ | The equation d/dt of dL/dq-dot minus dL/dq equals zero. |
| cyclic coordinate/ˈsaɪklɪk kəʊˈɔːdɪnət/ | tọa độ tuần hoàn |
| holonomic/ˌhɒləˈnɒmɪk/ | Expressible as a relation among coordinates and possibly time. |
The swing without the tension
- A pendulum's string tension changes all through the swing. The Lagrangian method gets the angular equation without ever finding it.
- GRE Lagrangian questions test constraints, Euler–Lagrange 欧拉–拉格朗日 equations, cyclic coordinates 循环坐标 and small oscillations.
Coordinates that respect constraints
- Fixed length: $x = l\sin\theta$, $y = -l\cos\theta$, so $v^2 = l^2\dot\theta^2$. Then $T = \tfrac12 ml^2\dot\theta^2$, $V = mgl(1 - \cos\theta)$.
- A holonomic 完整的 constraint (a relation among coordinates) removes a coordinate. Rolling constraints on velocities need separate care.
Euler–Lagrange
- $\dfrac{d}{dt}\dfrac{\partial L}{\partial\dot q} - \dfrac{\partial L}{\partial q} = 0$, $L = T - V$. Pendulum: $ml^2\ddot\theta + mgl\sin\theta = 0$.
- Differentiate every time-dependent factor: $\frac{d}{dt}(mr^2\dot\theta) = mr^2\ddot\theta + 2mr\dot r\dot\theta$.
$l = 2$ m, $g = 10$: $\ddot\theta = -5\sin\theta$. At $\theta = 0.10$: $-0.4992$ rad/s², versus $-0.500$ linearised. Small-angle period $2\pi/\sqrt5 \approx 2.81$ s.
A pendulum with $l = 0.40$ m, $g = 10$. Small-angle period in s (three decimal places)?
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$\omega = \sqrt{g/l} = \sqrt{10/0.4} = 5$ rad/s, so $T = 2\pi/5 = 1.257$ s.
Put the Lagrangian method in order.
Độ khó 3/5 · 200 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Constraints first, equations last.
Cyclic coordinates
- Central force: $L = \tfrac12 m(\dot r^2 + r^2\dot\theta^2) - V(r)$. No $\theta$ in $L$ (only $\dot\theta$), so $p_\theta = mr^2\dot\theta$ is conserved.
- Halving $r$ multiplies $\dot\theta$ by 4. Radial equation: $m\ddot r = mr\dot\theta^2 - V'(r)$.
Cyclic or not?
Spot conserved generalised momenta from the Lagrangian.
In a central force, $r$ drops from 2 m to 0.5 m. By what factor does $\dot\theta$ grow?
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Angular momentum $mr^2\dot\theta$ is conserved, so $\dot\theta \propto 1/r^2$: $(2/0.5)^2 = 16$.
For $L = \tfrac12 m(\dot r^2 + r^2\dot\theta^2) - V(r)$, the cyclic coordinate is
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$\theta$ does not appear in $L$ (only $\dot\theta$ does), so it is cyclic and its momentum $mr^2\dot\theta$ is conserved.
A coordinate is cyclic if it is absent from the Lagrangian, even if its velocity appears.
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
True. Only q itself must be absent; then ∂L/∂q = 0 and the conjugate momentum ∂L/∂q̇ is conserved.
Small oscillations
- Near a stable $q_0$: $\omega = \sqrt{V''(q_0)/M}$ with $M$ the local inertia. Pendulum: $\omega = \sqrt{g/l}$.
- $V'' < 0$ is an instability, not an imaginary frequency to report.
Recap
- Build $T$ and $V$ in constrained coordinates; form $L = T - V$.
- Cyclic $q$ (absent from $L$) means $\partial L/\partial\dot q$ is conserved.
- $\omega^2 = V''/M$ near a minimum.
- Euler–Lagrange refers to the equation d/dt of dL/dq-dot minus dL/dq equals zero.
- holonomic: Expressible as a relation among coordinates and possibly time.